15. BIOLOGIA

Science, 26 Feb 93, Vol. 259, pg. 1257 - Michelle Hoffman - A metà degli anni 80 i biologi hanno compreso che il nucleo delle cellule non è semplicemente un contenitore di cromosomi ed enzimi in soluzione acquosa, ma una struttura molto organizzata in una matrice di proteine fibrose. Questa matrice ha un ruolo nel regolare le reazioni del nucleo e l’attivazione dei geni, inoltre le proteine della matrice sono diverse per le cellule cancerogene e questo può portare a nuovi metodi di ricerca e trattamento del cancro.

Science, 14 May 93, Vol. 260, pg. 920 - Robert Langer - Ogni anno milioni di persone soffrono di danni ai tessuti ed organi che richiedono trattamenti di ricostruzione o trapianti. I trapianti sono limitati dalla disponibilità dei donatori, la ricostruzione richiede tempi lunghi. La progettazione e lo sviluppo di sostituti funzionali di questi tessuti è oggi campo interdisciplinare delle biotecnologie. I tessuti che richiedono interventi di ricostruzione sono molteplici. Nel sistema nervoso ad esempio il morbo di Parkinson è prodotto dalla mancata produzione della dopamina; è necessario trapiantare cellule fetali che producono la dopamina, soluzioni alternative partono dagli animali. La rigenerazione dei nervi è possibile per il sistema periferico e le tecniche sono molteplici. Per la cornea si cercano materiali artificiali con permeabilità ai fluidi nutrienti, trasparenza e non tossicità. La pelle è il tessuto più richiesto in tutti i casi di bruciature estese. Si usa applicare uno strato di silicone sopra uno strato di collagene per fermare la perdita di liquidi e favorire la ricrescita dei vasi sanguigni. Un altro metodo è di produrre una cultura in vitro delle cellule epidermiche. Da un cmq di pelle del paziente si può ottenere per accrescimento quanto occorre, ma il tempo necessario di 3 - 4 settimane può essere troppo lungo per il paziente. Organi interni come il fegato ed il pancreas possono essere trapiantati o rigenerati mediante cultura in vitro. Strutture tubolari come uretere, uretra, vescica possono essere ricostruite usando parti di altri organi o con materiali biocompatibili. Per cartilagini ed ossa si usa il trapianto e la protesi con polimeri artificiali o metalli; un altro metodo è di impiantare polvere di ossa demineralizzata che stimola la crescita delle ossa. La generazione di fibre muscolari è importante nel caso di danni ai muscoli, malattie cardiache e distrofia. La produzione di sangue artificiale e derivati è un’esigenza critica; si cercano sostanze capaci di trasportare l’ossigeno e l’anidride carbonica. La tabella seguente mostra il numero di pazienti per anno negli USA che richiedono interventi di riparazione di tessuti.

Science, 25 Jun 93, Vol. 260, pg, 1876 - Robert F. Service - I neurologi hanno individuato le aree della corteccia cerebrale specializzate alla visione ed hanno verificato che alcune aree rispondono al colore, altre alla forma ed altre al movimento. Si è ora scoperto che una simile suddivisione esiste nella corteccia prefrontale dedicata alla memoria visiva temporanea. Qui alcune aree rispondono a cosa è un oggetto ed altre dove l’oggetto è localizzato.

Science, 2 Jul 93, Vol. 261, pg, 26 - Random Samples - Un buon candidato per i trapianti ossei sembra sia lo stesso materiale ceramico usato per la protezione esterna dello Space Shuttle al rientro. Questo materiale ha una struttura porosa come quello delle ossa e sembra sia biocompatibile. Naturalmente prima della sua commercializzazione dovrà superare le prove richieste dalla FDA per la certificazione.

Science, 2 Jul 93, Vol. 261, pg, 35 - Edwin W. Taylor - La comprensione del processo di contrazione dei muscoli è iniziata 40 anni fa proponendo un modello in cui i filamenti dei muscoli scorrevano durante la contrazione. I progressi nello studio della struttura, della meccanica e della biochimica dei muscoli hanno messo in evidenza che i filamenti muscolari consistono in una proteina globulare, l’actina, ed in una proteina lunga e spessa con una testa prominente, la myosina. Recentemente è stata ottenuta la struttura dell’actina e della myosina. Il processo di contrazione avviene nelle zone di sovrapposizione fra le due proteine mediato dall’idrolisi dell’adenosina trifosfato (ATP) che fornisce l’energia chimica necessaria.

Science, 27 May 94, Vol. 264, pg. 1251 - Marcia Barinaga - I biologi hanno diviso all’origine gli esseri viventi in due rami principali: procarioti che comprendono organismi di una sola cellula come i batteri che mancano di nucleo, ed eucatioti costituiti da cellule con nucleo che comprendono tutti gli altri esseri viventi dai monocellulari all’Homo sapiens, ma nel 1977 l’evoluzionista Carl Woese scoprì un gruppo di strani organismi, chiamati archeobatteri, classificati come procarioti, ma molto diversi da questi come dagli eucarioti e che in genere vivono in condizioni ambientali estreme. Si è scoperto che molte delle loro proteine sono simili a quelle degli eucarioti e con funzioni simili. Si è così creata una nuova branca detta Archaea che diverge dagli eucarioti circa 3 milioni di anni fa ed è quindi successiva alla separazione dagli eubatteri.

Science, 22 Jul 94, Vol. 265, pg. 471 - Faye Flam - La scoperta di organismi viventi in ambienti con condizioni estreme di temperatura e pressione, dove fino a 15 anni fa si supponeva la vita non potesse esistere, ha innescato una nuova ricerca fra gruppi interdisciplinari di chimici, biochimici e tecnici della biochimica interessati agli enzimi che controllano il metabolismo di questi organismi ed ai meccanismi che permettono di sopravvivere a caldo, freddo, pressione e salinità anormali. Si è notato che i batteri che vivono in ambienti caldi sono dal punto di vista genetico gli organismi più primitivi, solo successivamente gli organismi si sono adattati ai climi temperati e poi a quelli freddi. La ricerca sugli estremoenzimi è un buon punto di partenza per lo studio dell’evoluzione molecolare.

Science, 28 Oct 94, Vol. 266, pg. 561 - Marcia Barinaga - Dopo più di 100 anni dall’inizio della ricerca biologica un gran numero di domande attendono una risposta sul problema di come da una singola cellula uovo fertilizzata possa formarsi un intero organismo complesso attraverso una serie di cambiamenti. Sono state raccolte 8 domande principali ancora senza risposta sulla morfogenesi:

1. Quale è il meccanismo molecolare della morfogenesi?

2. Quale è la connessione fra sviluppo ed evoluzione?

3. Come acquisiscono le cellule il compito di generare particolari tessuti?

4. Quale è il ruolo dello scambio di segnali fra cellule durante lo sviluppo?

5. Come sono stabilite le destinazioni delle funzioni all’interno dell’embrione?

6. Come stabiliscono i neuroni i loro specifici legami?

7. Come conoscono e cellule quando dividersi e quando morire per scolpire organi e tessuti?

8. Come controllano i fattori di trascrizione la differenziazione dei tessuti?

Prima che si formi un particolare tessuto o organo devono verificarsi una serie di passi che dicano alle cellule che cosa sono e che cosa devono formate ed i biologi sono alla ricerca di specifiche molecole che pilotano questi eventi morfogenici. Le cellule devono sapere ad esempio quando finire di svilupparsi e persino morire per dare al tessuto la forma definitiva. Geni codificano proteine dette fattori di trascrizione che hanno una funzione fondamentale nel differenziare i compiti delle cellule, altre proteine trasportano segnali fra le cellule.

Science, 28 Oct 94, Vol. 266, pg. 571 - Lewis Wolpert - Negli ultimi 20 anni si sono avuti grandi progressi nella biologia dello sviluppo come applicazione delle tecniche molecolari, ma forse è ancora un’illusione che si siano compresi tutti i principi di base dello sviluppo degli organismi. Durante lo sviluppo si generano delle differenze fra le cellule dell’embrione che conducono alla sua organizzazione spaziale (pattern formation). La cellula è più complessa dell’embrione perché le interazioni fra le cellule dell’embrione sono molto più semplici delle interazioni fra i componenti della cellula ed il meccanismo dello sviluppo sta nel programma interno della cellula e nella sua biologia. Dopo essere stata fertilizzata la cellula uovo si moltiplica ed i fattori di trascrizione distinguono più regioni definite dalla combinazione di differenti geni. In ogni regione le diverse cellule acquistano un’identità di posizione che determina il loro comportamento futuro. Nello sviluppo iniziale degli insetti sembra che circa 100 geni controllano la formazione delle diverse regioni. Altri geni controllano poi il destino di ciascuna regione. La vera funzione di ogni gene è però incognita come anche il tipo di segnali che si scambiano le cellule e come questi segnali si propagono.

Science, 27 Jan 95, Vol. 267, pg. 474 - Dennis Roop - La pelle è una barriera fisica ed un’interfaccia fra un organismo e l’ambiente esterno, impedisce la perdita di acqua e difende dalle aggressioni meccaniche, chimiche e dai microrganismi. Per esercitare questa funzione lo strato esterno della pelle (epidermide) subisce un processo di cheratinizzazione che trasforma le cellule in uno strato corneo e squamoso. L’epidermide si rinnova continuamente mediante desquamazione all’esterno e cheratinizzazione all’interno con un ciclo di 28 giorni e la cheratina è la proteina strutturale più importante per mantenere l’integrità dell’epidermide.

Science, 3 Mar 95, Vol. 267, pg. 1265 - Jon Cohen - Uno dei misteri della biochimica è il perché il materiale genetico DNA e RNA hanno una struttura che ruota verso destra mentre gli amminoacidi di cui sono formati le molecole ruotano verso sinistra. Questa omochirialità dei composti biologici è un fatto che sta all’origine della vita stessa perché il materiale genetico non potrebbe copiarsi se fosse composto da una mescolanza dei due enantiomeri come sono tutti i composti organici. Una spiegazione possibile è se l’acido nucleico peptide (PNA), che è un precursore prebiotico del DNA, ha una maggiore stabilità in una forma creando un vantaggio per un enantiomero. Una diversa visione deriva dalle due teorie se la vita ha avuto origine sulla terra o nello spazio. Nel secondo caso si dovrebbe trovare, ad esempio nelle comete, una concentrazione di sostanze omochiriali.

Science, 10 Mar 95, Vol. 267, pg. 1445 - Hermann Steller - Quasi tutte le cellule animali hanno la capacità di attivare un programma di suicidio che viene chiamato apoptosis o Programmed Cell Death (PCD) quando non sono più necessarie o sono danneggiate. Nell’apoptosis la cellula si frammenta in parti che sono rapidamente fagocitate dai macrofagi o dalle cellule vicine ed in tal modo vengono rapidamente rimosse. Nel processo di necrosi, invece, i resti delle cellule morte producono un processo infiammatorio. L’apoptosis viene accuratamente regolata negli organismi ed ha una funzione primaria nel meccanismo di sviluppo per scolpire la forma dell’organismo e per rimuovere le cellule dannose, al contrario un’attivazione inappropriata può innescare molte malattie come il cancro, la sindrome di immunodeficienza ed i disordini neurodegenerativi. L’apoptosis è attivata da geni e la conoscenza di questi è importante per poter intervenire con appropriate medicine. La maggior parte delle nostre attuali conoscenze sui geni che controllano la morte delle cellule proviene dallo studio genetico del nematode Caenorhabditis elegans. Sono stati trovati 14 geni detti ced-1, ced-2, ecc. che intervengono nel meccanismo non ancora compreso in tutti i suoi aspetti. Questo meccanismo si è però conservato e trasmesso nell’evoluzione e ciò che si impara da organismi semplici servirà anche per gli organismi più complicati come i mammiferi.

Science, 24 Mar 95, Vol. 267, pg. 1772 - Robert Pool - La riparazione delle ossa fratturate potrà essere grandemente facilitata se un nuovo materiale allo studio manterrà le iniziali promesse. Si tratta di una pasta che viene iniettata nel posto della frattura indurendo in pochi minuti, connettendo le ossa rotte ed acquistando in 12 ore la resistenza delle normali ossa. Il materiale è detto SRS ( Skeletal Repair System), ha una struttura simile a quella delle ossa e viene gradualmente riassorbito e sostituito da nuovo materiale osseo. L’idea di questo nuovo materiale è nata nel 1985 studiando come i coralli formano il loro scheletro. Questi a differenza dei vertebrati formano lo scheletro senza essere guidati da proteine ed il meccanismo è più facile da imitare perché si tratta di un processo fisiochimico. Lo SRS sta per essere usato negli USA in 12 diversi ospedali, anche in Europa è stato usato con successo, e si spera che otterrà l’approvazione della FDA.

Science, 12 May 95, Vol. 268, pg. 827 - G. J. Leigh - Cento anni fa è stato stabilito che i sistemi biologici sono capaci di fissare l’azoto, tuttavia il meccanismo con cui questo viene realizzato non è ancora perfettamente determinato. La rottura del forte triplo legame dei due atomi della molecola di azoto viene operato attraverso un processo intermedio di nitrazione con ioni di metalli pesanti. Per esempio nella sintesi dell’ammoniaca si forma prima un legame triplo Fe N. Per molto tempo si è creduto che il molibdeno fosse assolutamente necessario ai sistemi biologici, solo recentemente si è visto che il vanadio può sostituire il molibdeno ed in altri processi si può usare il solo ferro.

Science, 3 Nov 95, Vol. 270, pg. 732 - Marcia Barinaga - Dentro ogni organismo, dai batteri agli esseri umani, esiste un orologio biochimico che mantiene i cicli giornalieri di comportamento noti come ritmi circadiani. Il meccanismo di questo clock è stato sempre sconosciuto, ma recentemente dallo studio del moscerino della frutta Drosophila melanogaster si sono scoperte due proteine dette per (period) e tim (timeless) la cui combinazione produce un ciclo di oscillazione. Ambedue vengono prodotte nel nucleo e passano nel citoplasma, quando hanno raggiunto una certa concentrazione si combinano a coppie ed a questo punto possono rientrare nel nucleo dove hanno un’azione di blocco sui geni che producono le due proteine.

Science, 10 Nov 95, Vol. 270, pg. 931 - Michael O. Hengartner - Il processo di apoptosis o di Programmed Cell Death (PCD) è in un certo senso l’opposto della divisione cellulare. Quest’ultima crea nuove cellule mentre la prima elimina quelle esistenti ed ambedue questi processi sono molto complicati. Lo studio condotto sul nematode Caenorhabditis elegans sembra mostrare che il gene ced-9 agisce come regolatore negativo per il PCD e protegge le cellule che debbono essere preservate dall’apoptosis mentre ogni azione che lo disattiva causa la distruzione delle cellule. Si è poi scoperto che vi sono grandi similitudini fra il ced-9 ed il gene oncogene dei mammiferi bcl-2 che sembra avere le stesse funzioni. Il processo di PCD è quindi lo stesso nei vermi e nell’uomo a dimostrazione del fatto che a livello cellulare gli organismi viventi sono fra di loro simili.

Science, 26 Jan 96, Vol. 271, pg. 448 - Virginia Morell - La prima singola cellula si è prodotta nel nostro pianeta circa 3,5 miliardi di anni fa. Si trattava di una cellula procariote, cioè senza nucleo, e per centinaia di milioni di anni tale è rimasta. L’apparizione degli eucarioti, circa fra 2,6 e 1,3 miliardi di anni fa portò poi tutte le forme viventi dai funghi agli uomini. Oggi sono rimasti procarioti i batteri e gli archaea. La separazione degli archaea si è avuta circa 1,8 miliardi di anni fa e questo tempo si è valutato usando come orologio i cambiamenti subiti in un set di enzimi supponendo questi avvenuti in modo uniforme nel tempo.

Science, 17 May 96, Vol. 272, pg. 953 - Virginia Morell - Studiando i moscerini della frutta, William R. Rice, un biologo evoluzionista dell’università di California, ha notato come gli interessi riproduttivi dei maschi e delle femmine sono contrastanti ed i due sessi coevolvono come organismi ospiti e parassiti o come predatori e prede. L’interesse del maschio è di fertilizzare le uova e di farlo prima di un altro rivale e nel suo liquido seminale ci sono proteine velenose per lo sperma dei rivali, ma anche per la femmina. La femmina vuole solo raccogliere 500 unità di sperma ed indebolire il resto proteggendosi dalle tossine. Questo antagonismo chimico tende a produrre un equilibrio fra i due sessi. Se si permette ai soli maschi di evolversi, clonandoli ed impedendo di acquisire geni dal lato materno, in 41 generazioni i maschi acquisiscono un grande vantaggio sui loro rivali, ma le femmine muoiono giovani per le potenti tossine che assorbono dal liquido seminale.

Science, 28 Jun 96, Vol. 272, pg. 1871 - Wade Roush - La cellula embrione di ogni animale o zigote ha il compito di implementare il piano di sviluppo inscritto nel suo DNA per costruire un corpo multicellulare. Come questo avviene è stato compreso per il moscerino della frutta Drosophila melanogaster e questa scoperta è stata oggetto di un premio Nobel. Ora lo stesso meccanismo si scopre nel verme nematode Caenorhabditis elegans. La prima divisione dello zigote da origine a due cellule diverse dette P1 e AB sotto il controllo dei geni par-1 e par-6 (par = partition), successivamente inizia un altro meccanismo di differenziazione: un segnale molecolare fra le cellule. La P1 si divide in P2 e EMS e la P2 a questo punto invia dei segnali proteine alla EMS ed alle altre due cellule prodotte da AB cioè ABa e ABp; queste proteine attivano i geni specifici delle cellule.

Science, 9 Aug 96, Vol. 273, pg. 735 - Marcia Barinaga - In ogni organismo le cellule in eccesso o quelle che rappresentano un pericolo commettono suicidio sotto il controllo di un processo detto di apoptosis o Programmed Cell Death (PCD). Fino ad un anno fa era un mistero come questo comando, ricevuto dalla superficie di una cellula da una proteina ricettore, innescava questo processo. Le recenti conoscenze aprono la strada a nuove terapie come nel cancro, dove c’è un difetto di apoptosis, o nelle malattie neurodegenerative dove c’è un eccesso di apoptosis che porta alla distruzione di neuroni. A metà degli anni ‘70 i ricercatori scoprirono che un fattore delle cellule immunitarie, soprannominato Tumor Necrosis Factor (TNF), causava la morte delle cellule. Alla fine degli anni ‘80 fu identificata un’altra proteina delle cellule immunitarie, detta Fas Ligand (FasL), che causava anche la morte delle cellule. Ora nell’ultimo anno si è scoperto che i due ricettori TNF e Fas attraverso le pareti della cellula interagiscono con le proteine TRADD e FADD (ADD = associated death domain) che a loro volta attivano le proteasi della famiglia ICE, enzimi che scindono le proteine all’interno della cellula. C’è anche un’altra misteriosa proteina, IAP, scoperta nel 1993 che inibisce l’apoptosis e che potrebbe funzionare come interruttore per determinare quale via deve prendere il massaggio TNF. Si è certi del fatto che la vulnerabilità ai diversi messaggi di morte varia per ogni tipo di cellula e per ognuna esiste una particolare costellazione di ricettori, attivatori ed inibitori e di enzimi ICE.

Science, 27 Sep 96, Vol. 273, pg. 1795 - Carol Potera - I microbiologi hanno sperimentato recentemente che molti batteri si aggregano in ammassi ricoperti da una pellicola che resiste ai disinfettanti chimici, agli antibiotici ed al sistema immunitario provocando delle infezioni spesso letali. La placca dentaria è uno dei più comuni biofilm, biofilm si possono produrre nelle condutture d’acqua e nelle attrezzature mediche, dalle lenti a contatto al cuore artificiale. Gli ammassi di batteri, aerobici ed anerobici, si circondano di una ragnatela di fibre di polisaccaridi che li proteggono come una corazza. Biofilm di batteri anerobici producono idrogeno solfidrico corrosivo nelle condutture, mentre i biofilm di batteri aerobici corrodono i metalli per ossidazione. Se si aspirano dei biofilm questi attecchiranno nei polmoni e la loro resistenza agli antibiotici è fenomenale. I biofilm hanno anche applicazioni positive; sono stati usati infatti per degradare i comuni contaminanti come i carburanti.

Science, 7 Feb 97, Vol. 275, pg. 744 - Eliot Marshall - Due anni fa i dirigenti della DARPA hanno cominciato ad interessarsi di biologia e ad investire in modo consistente per proteggere militari e civili dai rischi biologici. Quest’anno si prevede di spendere da 40 a 50 milioni di US$, entro il 1999 si arriverà a 100 milioni e successivamente a 200 milioni di US$ l’anno. La minaccia rappresentata da un’arma biologica sta diventando più probabile come strumento di terrore rispetto alle armi nucleari essendo più facile da realizzare e da usare. Il caso più impressionante di attentato biologico è successo il 20 marzo 1995 nella metropolitana di Tokyo quando il gruppo religioso Aum uccise con gas nervino 12 persone. Si è scoperto poi che la setta, che conta circa 60000 adepti, aveva costruito anche bombe biologiche contenente anthrax che attacca i polmoni e stava fabbricando botulino ed accumulando virus Ebola. Un altro allarme si era avuto alla fine del 1980 per le armi biologiche accumulate in Iraq sotto Saddam Hussein caricate anche nelle testate di 25 missili SCUD. La DARPA sta investendo in contratti per la realizzazione di filtri protettivi ed agenti antimicrobici a largo spettro. Altri progetti riguardano sensori per una rivelazione ed identificazione rapida della minaccia biologica, sistemi di protezione passiva e programmi computerizzati per gestire la minaccia. Un sensore contro gli agenti nervini consiste in un singolo neurone inserito in un chip al silicio che controlla la sua reazione, altri sensori sono del tipo fluorescente codificati con colori collegati ad anticorpi specifici.

Science, 14 Feb 97, Vol. 275, pg. 942 - Jeffrey L. Bada - L’omochirialità delle molecole nei processi di biosintesi è una caratteristica della vita sulla Terra. Ad esempio solo gli amminoacidi levogiri vengono incorporati nelle proteine durante la loro trascrizione mentre nella normale sintesi degli amminoacidi questi si formano in miscugli racemici cioè con quantità uguali di enantiomeri, levogiri (L) e destrogiri (D). Nel 1970 è stato scoperto un meteorite contenente amminoacidi ed alla prima analisi questi sono risultati racemici, ma successive analisi, eseguite dopo dieci anni, hanno mostrato un piccolo eccesso di enantiomeri L. Se questo eccesso fosse reale, e non dovuto a contaminazione terrestre, bisognerebbe trovare un meccanismo che lo spieghi ed in realtà mancano prove sperimentali convincenti per ogni teoria avanzata.

Science, 7 Mar 97, Vol. 275, pg. 1422 - Gretchen Vogel - Si sa che le cellule degli organismi superiori acquistano alcune delle loro importanti proprietà inglobando cellule di semplici batteri, è il caso dei mitocondri e dei cloroplasti per la fotosintesi. Sembra ora che anche cellule complesse possono inglobare altre cellule che ne diventano parte integrante. Si è trovato recentemente che un gruppo di parassiti unicellulari ha inglobato la cellula di un’alga contenente cloroplasti. Fra questi parassiti c’è il Taxoplasma ed il Plasmodio della malaria. Non si conosce esattamente la funzione di quest’alga, ma certo il suo materiale genetico deve essere impegnato in qualche processo di fabbricazione di amminoacidi e proteine essenziali. Questo processo di endosimbiosi si è verificato più volte nell’evoluzione delle cellule. Per questo tipo di parassiti si cercano medicine che attaccano la componente dei plastidi senza effetti nocivi per le cellule umane e ciò è quello che si cerca di fare contro il Plasmodio della malaria.

Science, 21 Mar 97, Vol. 275, pg. 1740 - Robert F. Service - Si suppone che la biodiversità consista nel numero di piante, animali ed insetti. Sono state descritte 248000 specie di piante, 750000 specie di insetti e 280000 specie di altri animali. Recentemente però, usando la tecnica genetica e comparando le sequenze dei geni per distinguere i diversi genetipi, si è scoperto che la maggior parte della biodiversità è concentrata nei microbi unicellulari dei tre gruppi dei Bacteria, Archaea ed Eukarya. Gruppi di microbi si distinguono geneticamente fra di loro come gli animali dalle piante qualificandosi come regni diversi e molti altri simili regni dell’albero della vita dovrebbero essere nascosti nel mondo microscopico. La classificazione genetica è basata su circa 1500 coppie di basi in un gene comune a tutte le cellule, la subunità 16S che partecipa all’assemblaggio delle proteine. Le sequenze 16S sono quasi simili per organismi relazionati come uomini e scimpanzé, ma si discostano molto per organismi evolutisi separatamente da molto tempo. La diversità evolutiva di questi microrganismi dipende dal gran numero di microhabitat esistenti. L’albero della vita distinto nei tre rami principali di Bacteria, Archaea e Eukarya si ramifica ulteriormente in ciascuno di essi e solo gli ultimi tre rami degli Eukarya sono costituiti da animali, piante e funghi. Un ramo degli Archaea è costituito dai crenarchaeota che una volta si credeva vivessero solo in ambienti estremi, ma poi sono stati trovati dovunque e la loro abbondanza fa pensare che abbiano un ruolo nel ciclo nutritivo. Tutti questi microrganismi creano un collegamento fra biologi molecolari ed ambientalisti perché la biosfera è dominata dai processi microbici ed ogni cambiamento dell’ambiente può alterare questi processi.

Science, 4 Apr 97, Vol. 276, pg. 34 - Nigel Williams - Gli organismi viventi coprono un vasto campo di dimensioni dai microbi alle balene con almeno 21 ordini di grandezza ed i biologi hanno cercato di trovare le relazioni fra dimensioni del corpo e fisiologia. Ad esempio il metabolismo varia in proporzione della potenza 3/4 della massa del corpo, la durata della vita, l’età della prima riproduzione e lo sviluppo dell’embrione dipendono rispettivamente dalle potenze 1/4, 3/4 e -1/4 della massa del corpo. Il fattore 1/4 è piuttosto enigmatico, ci si aspetterebbe un fattore 1/3 se ci fosse una relazione con il volume del corpo. Una recente modellizzazione ha dato ragione di queste relazioni legandole alla dinamica del trasporto di energia ed alla matematica della geometria frattale. L’analisi degli organismi viene fatta sulla base della geometria e fisica di una rete per il trasporto delle risorse e dei rifiuti. Tale rete deve avere tre attributi: a) deve raggiungere tutte le parti del corpo; b) deve richiedere un minimo di energia per il trasporto mediante un fluido; c) tutti i rami terminali devono avere le stesse dimensioni. Per la rete è stata usata la geometria frattale studiata da Mandelbrot ed è questa che porta alla potenza di 1/4. Viene predetto inoltre il grado di ramificazione del sistema circolatorio. Ad esempio una balena che è 10E7 volte più pesante di un topo richiede solo 70% più rami nel suo sistema circolatorio.

Science, 4 Apr 97, Vol. 276, pg. 75 - Paul Martin - La pelle degli adulti consiste di due strati di tessuto: l’epidermide di cheratina stratificata, ed il derma sottostante, spesso tessuto connettivo ricco di collagene. Poiché la pelle serve come barriera protettiva contro il mondo esterno, ogni lesione deve essere riparata prontamente. Temporaneamente la riparazione è effettuata da un coagulo di fibrina e successivamente inizia la rigenerazione del tessuto. Questa avviene per divisione cellulare del derma dal bordo della ferita promossa dallo Epidermal Growth Factor (EGF) e dal Keratinocyte Growth Factor (KGF). Il fenomeno è molto complesso e comincia solo ora ad essere compreso.

Science, 2 May 97, Vol. 276, pg. 703 - Richard A. Kerr - I microbiologi hanno scoperto l’esistenza di organismi intrappolati da milioni di anni a profondità di circa 3 km e sembra che dove c’è una sorgente di energia è presente anche la vita; l’unico vero limite è dato dalla temperatura, si arriva fino a 113 °C il ché significa andare fino a 5 km di profondità sotto la superficie. Isolati in profondità per milioni di anni i microrganismi hanno sviluppato metabolismi esotici. Nel 1992 la Texaco in una trivellazione di 2,8 km ha scoperto una sacca di microrganismi in sedimenti di 230 milioni di anni fa ad una temperatura di 75 °C. Alcuni microbi estraggono energia da antica materia organica usando minerali come ferro o manganese invece dell’ossigeno per ossidare il carbone. Si pensa che circa lo 0,1% della biosfera totale della Terra sia sotterranea ed a causa dell’isolamento e della scarsità del materiale nutritivo l’attività è estremamente rallentata fino a 10E-15 che sul suolo, le cellule si dividono una volta all’anno o ogni 100 anni invece che ogni pochi minuti. Si può pensare che anche in altri corpi celesti come Marte, Giove e il satellite Europa si siano sviluppate simili forme di vita.

Science, 2 May 97, Vol. 276, pg. 734 - Norman R. Pace - In genere i microbi ricevono una limitata attenzione nei testi di biologia perché la biodiversità viene considerata in termini di grandi organismi. Il fatto è che la classificazione viene fatta sulla base della morfologia e questa si presta di più per i grandi organismi mentre i microbi sono poco differenziati. Una migliore caratterizzazione dei microbi si fa sulla base di criteri di nutrizione (metabolismo). Recentemente i criteri basati sulle sequenze genetiche stanno modificando i metodi di classificazione. La distinzione nei 5 regni: animali, piante, funghi, protozoi e batteri si è trasformata nei tre regni: Eucarya (organismi che contengono le membrane nucleari), Bacteria e Archaea. L’albero filogenetico che sviluppa questi tre regni mette in evidenza le distanze genetiche fra i vari organismi, così si vede che animali, piante e funghi rappresentano branche periferiche degli Eucarya dal punto di vista della diversità cellulare. L’acquisizione della membrana nucleare da parte degli Eucarya rappresenta un evento molto tardo nello sviluppo delle forme viventi. Gli Archaea hanno una grande varietà; alcuni sembrano molto vicini ai Bacteria, altri agli Eucarya ed altri hanno caratteristiche uniche. Dal punto di vista del metabolismo gli organismi possono essere organotrofi, se metabolizzano sostanze complesse come gli animali, o autotrofi se fissano la CO2 e l’energia può essere presa dalla luce, organismi fototrofi, o ossidando composti inorganici come idrogeno, idrogeno solforato, composti ferrosi, e si hanno gli organismi litotrofi. I batteri possono passare dalla fotosintesi dove c’è luce al comportamento litotrofo o organotrofo in ambienti oscuri. Nell’evoluzione il comportamento litotrofo ha preceduto quello fototrofo e organotrofo ed è limitato a microhabitat. Il metabolismo inorganico è basato su una chimica ancora poco compresa, la maggior parte della vita nell’oceano è microbica e su essa è basata una gran parte della sua catena alimentare. La biologia microbica sta diventando una scienza completa.

Science, 23 Jan 98, Vol. 279, pg. 459 - Stella M. Hurtley (Editorial) - Le cellule assumono una grandissima verietà di forme e dimensioni, dai linfociti di forma quasi sferica ai macrofagi simili alle amebe ai fibroplasti o cellule poligonali epiteliali alle cellule neurali con complesse estensioni, dentriti ed assoni. Tutta la struttura cellulare è assiemata e mantenuta dal citoscheletro un elemento strutturale di natura proteinica che ha la funzione di stabilire i contatti intercellulari e l’architettura dei tessuti. Il citoscheletro è molto dinamico assiemando e disassiemando le strutture cellulari ed è costituito da microfilamenti di circa 7 nanometri di diametro, microtubi da 24 nanometri ed una grande varietà di filamenti da 10 nanometri. Una parte caratteristica del citoscheletro è il tessuto muscolare nel quale una rete di filamenti scorrevoli che si espandono e si contraggono generano le forze muscolari. I microtubi poi hanno un ruolo fondamentale nella formazione delle complesse geometrie degli assoni nei neuroni. Problemi del citoscheletro possono provocare malattie della pelle, del sistema nervoso e dei muscoli; modifiche nel citoscheletro possono essere causa di patologie incluso il cancro e possono essere utili nelle diagnosi.

Science, 12 Jun 98, Vol. 280, pg. 1681 - Science Scope - Biologi, chirurghi ed ingegneri si sono incontrati la scorsa settimana all’università di Toronto per stabilire una strategia per la produzione di tessuti del cuore umano, l’idea di un progetto da 5 miliardi di US$ in 10 anni. Fino a ora i ricercatori hanno ottenuto l’accrescimento della pelle, delle ossa, del tessuto della vescica e ci sono stati progressi nel coltivare organi più complicati come il pancreas ed il fegato; ora si è confidenti, in 10 anni e con sufficienti risorse, di coltivare anche tessuti del cuore da trapiantare. Si tratta di fare crescere un gran numero di cellule mycociti cardiache costituenti del muscolo cardiaco in grado di essere trapiantate.

Science, 31 Jul 98, Vol. 281, pg. 626 - Robert Irion - Nella ricerca sulle origini della vita una delle prime domande è quella di come le molecole degli organismi viventi abbiano scelto fra le due forme enantiomere. Quasi tutti gli amminoacidi delle proteine sono levogire (L), invece la struttura del DNA e RNA è destrogira. Questa caratteristica di omochirialità delle proteine è potuta nascere nel corso dell’evoluzione per caso o per qualche motivo preferenziale nella replicazione, oppure il motivo potrebbe essere precedente all’origine della vita; si può pensare infatti che le prime proteine si fossero formate nella nube protostellare e siano state disseminate sulla Terra dalle comete, polveri o meteoriti. Questa settimana ricercatori di un osservatorio anglo-australiano hanno scoperto un’intensa radiazione infrarossa polarizzata circolarmente proveniente dalla nebulosa di Orione. Si è avanzata l’ipotesi di una radiazione ultravioletta polarizzata, che può distruggere selettivamente gli amminoacidi levogiri o destrogiri, abbia irradiato la nostra nebulosa circa 5 miliardi di anni fa creando un eccesso di amminoacidi levogiri. Le radiazioni infrarosse non hanno invece l’energia sufficiente per distruggere le molecole organiche.

Science, 25 Sep 98, Vol. 281, pg. 1980 - Bernice Wuethrich - Uno dei problemi irrisolti dell’evoluzione biologica è il perché la riproduzione sessuata sia stata preferita qualche miliardo di anni fa e perché continui a prevalere su quella asessuata. Vi sono un’infinità di teorie ed alcune completamente folli. Il sesso è un paradosso perché se la natura premia la fedeltà genetica la riproduzione asessuata dovrebbe essere preferita perché trasmette intatto il patrimonio genetico del genitore. La riproduzione sessuata ha solo il vantaggio di creare più combinazioni genetiche, ma il costo del sesso è quello di produrre il maschio che direttamente non genera nessuna progenie e la ricerca del compagno che impegna tempo ed energie. Senza dei vantaggi specifici la forma asessuata delle chiocciole avrebbe avuto la prevalenza in sole 52 generazioni ed invece le forme sessuate persistono mentre quelle asessuate spesso vanno in estinzione. Recentemente i biologi evoluzionisti cercano di provare con esperimenti le loro teorie in particolare dimostrare il ruolo che gioca il sesso nell’eliminare le mutazioni svantaggiose o di favorire quelle vantaggiose. Le mutazioni vantaggiose sono quelle che permettono di resistere ai parassiti e, analizzando certe specie di chiocciole che possono esistere in ambedue le forme, si è visto che negli ambienti con pochi parassite tende a prevalere la forma asessuata mentre dove vi sono molti parassiti prevale quella sessuata. Inoltre le mutazioni sfavorevoli sono le più numerose ma, quando si accoppiano due genitori con mutazioni sfavorevoli, producono alcuni figli che accumulano tutti gli svantaggi e altri con poche di queste mutazioni negative e questi ultimi saranno i vincenti della selezione. Ciò non succede nella riproduzione asessuata e, più grande è la frequenza delle mutazioni, più grande è il vantaggio della riproduzione sessuata. Nonostante il gran numero di ragioni addotte una prova sperimentale diretta è difficile ed i biologi hanno davanti una lunga strada.

Science, 26 Feb 99, Vol. 283, pg. 1279 - Donald A. Henderson - Negli ultimi 4 anni negli USA è aumentata la preoccupazione relativa alla minaccia delle armi biologiche. All’inizio si è discusso sui possibili scenari a livello militare, diplomatico, legislativo e di informazione, recentemente anche l’ambiente medico e le organizzazioni sociali hanno iniziato a indagare sulle sfide poste da questa minaccia. A livello internazionale nel 1998 la World Health Organization (WHO) ha creato un gruppo di esperti per rivedere il documento del 1970 “Health Aspects of Chemical and Biological Weapons”. Lo FBI ha avuto la responsabilità della gestione delle crisi e di definire le misure per risolvere le emergenze immediate. Il ruolo dominante ed i fondi sono stati assegnati al Department of Defense (DOD). Le armi biologiche, fra quelle di distruzione di massa, sono quelle che destano più preoccupazioni perché aprono degli scenari completamente nuovi. Nel 1972 una convenzione contro le armi biologiche e chimiche è stata firmata da 140 nazioni inclusa l’Unione Sovietica e l’Iraq, ma nessun meccanismo di verifica è stato messo in funzione. Recentemente è ormai noto che almeno 10 nazioni hanno una propria capacità di armi biologiche. L’Iraq ha usato armi chimiche durante la guerra con l’Iran; dopo la guerra del Golfo sembra che l’Iraq abbia accumulato botulino e antrace ed abbia predisposto missili SCUD da 300 e 600 km per portare bombe chimiche. Nel 1995 si è avuto l’attacco alla metropolitana di Tokyo con gas sarin da parte della setta religiosa di Aum Shinrikyo e si è scoperto che intendevano usare anche botulino e antrace. Per le armi biologiche desta preoccupazione la cessazione delle vaccinazioni del vaiolo dal 1980 perché ormai sradicato; ora il virus del vaiolo diventa una minaccia di arma biologica perché le popolazioni sono immunizzate solo per il 20%. Un gruppo di esperti russi di armi biologiche ha identificato 11 agenti biologici che possono essere usati come armi ed i primi 4 della classifica sono il vaiolo, la peste, l’antrace ed il botulino; ciascuno di questi quattro agenti sono associati ad un’alta mortalità quando dispersi come aerosol: dal 30% del vaiolo all’80% dell’antrace. Virus del vaiolo ed antrace possono essere prodotti inoltre in grandi quantità e facilmente da chiunque. L’ultima epidemia di vaiolo in Iugoslavia del 1972 e quella di antrace in Russia nel 1979, a seguito di un incidente in una fabbrica di armi biologiche, possono dare il senso del pericolo. Lo scoppio improvviso di un’epidemia di vaiolo metterebbe in crisi le risorse di ogni comunità con riguardo a diagnosi ed ospedali. Per evitare la diffusione i malati devono essere confinati in stanze in leggera depressione equipaggiate con speciali filtri la cui disponibilità è ovunque scarsa. Anche l’organizzazione di una campagna di vaccinazioni richiede tempo. Il caso di inalazione di antrace è ancora più preoccupante. Dopo 2-3 giorni gli individui infettati comincerebbero a ricorrere alle cure mediche con sintomi non specifici: febbre, dolori, mal di testa; dopo altri due giorni la situazione diventa critica e la morte avverrebbe in 24-72 ore nell’80% dei casi. Benché l’antrace non si propaga da persona a persona, la malattia può scoppiare fino a 8 settimane dopo l’esposizione; la prevenzione può essere fatta con antibiotici, ma questi devono essere somministrati in modo continuativo per almeno 60 giorni, periodo che può essere ridotto se viene somministrato subito il vaccino, ma per il momento un vaccino non è disponibile per uso civile. Oggi fra le necessità critiche a cui dare priorità devono essere annoverate la disponibilità di vaccini per il vaiolo e l’antrace, il rinforzo delle infrastrutture di emergenza ospedaliera e l’addestramento specifico di dottori ed infermieri e dei laboratori di analisi.

Science, 5 Mar 99, Vol. 283, pg. 1432 - Gretchen Vogel - Le cellule staminali sono cellule indifferenziate capaci di sviluppare qualsiasi tipo di tessuto da quello nervoso alle cartilagini o al tessuto cardiaco. Queste cellule sono al centro della ricerca della biologia dello sviluppo ed una notizia eccitante è stata l’annunzio dell’isolamento, 5 mesi fa, delle cellule staminali embrionali (ES) dell’uomo; un gruppo di ricercatori le ha estratto da embrioni umani ed un altro dai tessuti di feti abortiti. Queste cellule possono essere mantenute indifferenziate nelle culture di laboratorio in modo continuo e questo apre la via alla coltivazione di vari tipi di tessuti e persino organi per il trapianto, ad esempio neuroni da impiantare nei pazienti affetti da morbo di Parkinson, cellule del muscolo cardiaco per riparare il muscolo cardiaco, cellule che producono insulina per i diabetici. Negli ultimi anni inoltre i ricercatori hanno isolato cellule staminali da vari organi, come ossa, midollo e anche dal cervello, queste non sono però completamente indifferenziate (totipotent), ma sembra che siano più versatili di quanto pensato; così cellule neurali, estratte dal cervello di un topo e trapiantate in un altro il cui midollo era stato largamente distrutto, hanno prodotto cellule del sangue. Questa versatilità può aprire la via a molte terapie senza il ricorso alle cellule embrionali oggetto di problemi etici e legali.

Science, 16 Apr 99, Vol. 284, pg. 415 - Bernice Wuethrich - Nei sedimenti sotto le coste della Skeleton Coast in Namibia i ricercatori hanno trovato una specie gigante di batterio, il più grande del mondo, che si presenta come un cordone di perline globulari del diametro di 0,75 mm, 100 volte le dimensioni dei normali batteri. Il batterio si chiama Thiomargarita namibiensis e decompone insieme solfiti e nitrati ossidando i primi e riducendo i secondi. Questo microrganismo potrà essere molto utile per rimuovere solfiti e nitrati da zone inquinate.

Science, 4 Jun 99, Vol. 284, pg. 1607 - Dana Mackenzie - La durata della vita di un organismo vivente segue la legge della radice quarta della sua massa corporea e questo è un fatto che ha dato molto da pensare ai fisiologi. La spiegazione proposta è che questa legge derivi dalle condizioni imposte da un sistema ideale di distribuzione dei nutrienti, la stessa relazione della radice quarta vale fra massa corporea e rapidità del metabolismo ed il battito cardiaco. Un pollo ha un battito di circa 300 pulsazioni al minuto mentre un elefante, che è 10000 più pesante, ha solo 30 pulsazioni al minuto. In media tutti i mammiferi muoiono dopo 1-2 miliardi di pulsazioni cardiache. Si è trovato anche che la stessa legge vale per le piante e questo da credito alla spiegazione frattale del sistema circolatorio fino ai capillari che hanno in tutti gli esseri viventi le stesse dimensioni. La legge è nota come la legge di Kleiber, uno svizzero-americano che nel 1932 per primo scoprì questa relazione empirica per gli animali.

Science, 4 Jun 99, Vol. 284, pg. 1631 - Eric J. Gaidos - Le recenti prove dell’esistenza di oceani salati sotto una crosta di ghiaccio nei satelliti di Giove, Europa e Callisto, hanno indotto ricerche sulla possibilità di vita in questi corpi celesti facendo riferimento ai requisiti della vita nella Terra. Oltre alla presenza di acqua liquida e di altri indispensabili elementi chimici, gli organismi viventi richiedono una sorgente di energia per il loro metabolismo. Nella Terra questa energia proviene dal Sole ed è sfruttata nella fotosintesi, tuttavia prima dell’evoluzione della fotosintesi la vita dipendeva da altre sorgenti di energia chimica dovuti a squilibri geotermici. Se esiste un oceano in Europa isolato chimicamente e fisicamente da una crosta di ghiaccio di 10-100 km di spessore, condizioni simili nella storia della Terra si possono trovare durante episodi di glaciazione globale durati 5-50 milioni di anni nel Proterozoico fra 2500 a 570 milioni di anni fa finché la formazione di un’atmosfera di CO2 prodotta dai vulcani non creò un effetto serra sufficiente a sciogliere il ghiaccio. Mancando i fenomeni di ossidazione rimangono le reazioni geochimiche come la metanogenesi e la riduzione dello zolfo elementare, meccanismi proposti anche nel metabolismo della Terra primitiva che aveva però un’attività tettonica dovuta al movimento delle placche e all’attività idrotermale sottomarina. La geodinamica di Europa è invece completamente sconosciuta ed una vita batterica potrebbe servirsi dell’ossidazione dell’acido solfidrico o dell’idrogeno per la riduzione del ferro.

Science, 12 Nov 99, Vol. 286, pg. 1282 - Robert F. Service - Gli amminoacidi levogiri sono i soli costituenti delle proteine ed i ricercatori hanno cercato di spiegarsi come si sia formata questa scelta. Due settimane fa in un simposio internazionale, ricercatori degli USA e della Nuova Zelanda hanno presentato alcuni risultati preliminari che indicano come questa scelta sia stata provocata dalla forza debole che opera nel cuore degli stessi atomi. La forza debole governa il decadimento radioattivo del neutroni in protoni ed elettroni all’interno degli atomi ed è l’unica forza fondamentale in natura con comportamento chiriale, infatti il decadimento produce sempre un elettrone con spin levogiro. La presenza della forza debole produce uno spostamento dei livelli energetici delle molecole ed alcuni calcoli mostrano che gli ammino acidi levogiri hanno un livello energetico inferiore a quello delle corrispondenti molecole destrogire e questo dovrebbe favorire la loro produzione. Tuttavia questa differenza di energia è molto piccola e potrebbero essere gli elettroni del decadimento radioattivo, diffusi in tutti gli ambienti, a influenzare questa scelta provocando l’emissione di luce polarizzata in senso levogiro.

Science, 14 Jan 2000, Vol. 287, pg. 207 - Elizabeth Pennisi - L’idea che si ha sull’evoluzione è che i cambiamenti casuali che si accumulano sul patrimonio genetico indirizzano a nuove specie, ma il corso dell’evoluzione è impredicibile e non è probabile che si riproducano uguali cambiamenti in luoghi distinti. Ora alcuni risultati mostrano come alcune specie si sono evolute nello stesso modo in luoghi distinti. Il primo caso è quello della mosca della frutta europea Drosophila subobscura che, introdotta 20 anni fa in California, si è evoluta con ali più grandi allo stesso modo che in Europa; il secondo caso è quello di un pesce che vive in tre laghi isolati nella British Columbia, i pesci, di origine marina, sono stati intrappolati nei laghi costieri formatisi circa 10000 anni fa e rimasti isolati in ambienti simili. Nei tre laghi si sono evolute parallelamente due specie di pesci che mostrano uguali comportamenti. Questo fatto rafforza l’idea di un’influenza dell’ambiente sull’evoluzione come veniva enfatizzato nell’originale formulazione della teoria dell’evoluzione di Darwin.

Science, 18 Feb 99, Vol. 287, pg. 1221 - Sylvia J. Spengler - La sempre crescente esigenza di simulazioni e modelli per comprendere i fenomeni biologici e l’enorme quantità di dati che si vanno raccogliendo ha fatto sviluppare la bioinformatica, una scienza interdisciplinare che comprende metodi e dispositivi per comprendere, generare, processare e diffondere le informazioni biologiche. Esempi sono gli sviluppi sul genoma, lo studio e l’identificazione delle funzioni delle proteine, il confronto fra genomi di specie diverse. L’analisi ed interpretazione dei dati è ancora limitata dalla potenza dei computer e non esiste ancora un modo semplice e rapido per trasferire la massa dei dati da un istituto all’altro. Lo sviluppo di software specializzati porta alla loro commercializzazione ed allo spostamento di persone esperte dalle accademie alle industrie. Il problema più grande diventa quello di definire gli standard ed i diritti di proprietà intellettuale. Sul problema della bioinformatica si stanno muovendo le principali agenzie USA, NIH e NSF, per superare la scarsità di hardware, software e personale specializzato in biologia ed informatica. Nell’era postgenomica la bioinformatica avrà un ruolo sempre più determinante.

Science, 25 Aug 2000, Vol. 289, pg. 1269 - Richard Stone - La scorsa settimana il governo dell’UK ha espresso la volontà di spingere la ricerca sugli embrioni umani e le loro cellule staminali che possono servire come materiali per coltivare tessuti e combattere malattie. Questo apre la porta alla clonazione di embrioni umani, attività che ha provocato un aspro dibattito. Il prossimo autunno il Parlamento deciderà per le raccomandazioni del caso. Se non ci saranno veti i regolamenti UK saranno più permissivi delle linee guida che ci si aspetta dal NIH degli USA. I regolamenti tuttora vigenti in UK permettono la ricerca sugli embrioni umani solo per i trattamenti per l’ineffabilità e gli esperimenti sono limitati agli embrioni di non più di due settimane, prima dello sviluppo dei neuroni. Con i recenti sviluppi della ricerca sulle cellule stamani l’UK Department of Health ha istituito una commissione per rivedere scienza ed etica della ricerca embrionale. L’interesse riguarda le cellule staminali di embrioni di 5-6 giorni di vita che possono essere coltivati come tessuti per trapianti e questo sarà utile fino a quando gli scienziati non imparano a riprogrammare le cellule adulte per utilizzarle come staminali. L’approccio terapeutico seguirà nel frattempo la via più semplice. L’opposizione si è già fatta sentire da parte di membri del partito conservatore e del cardinale Thomas Winning, capo della chiesa Cattolica Romana di Scozia che identificano la clonazione terapeutica all’uccisione di esseri umani. L’opinione dei ricercatori è che se non si inizia la ricerca non si otterranno le risposte necessarie.

Science, 1 Sep 2000, Vol. 289, pg. 1442 - Gretchen Vogel - La scorsa settimana il National Institute of Health (NIH) ha emesso le nuove linee guida per l’uso delle cellule staminali nella ricerca. Si permette la loro estrazione dai tessuti fetali e dagli embrioni congelati creati nei trattamenti di fertilità per privati e donati senza profitto; è proibito invece usare embrioni creati in modo specifico per la ricerca, combinare cellule staminali con embrioni animali, usarle per creare embrioni e derivare le cellule staminali dalle tecniche di trasferimento di nuclei. Lo NIH ha impiegati circa un anno per finalizzare queste linee guida. I ricercatori devono provare che le cellule staminali che vogliono usare rispondono a queste condizioni e possono poi ottenere un finanziamento per le ricerche. Si spera così di trovare nuovi trattamenti per il diabete, il Parkinson ed altre malattie.

Science, 2 Mar 2001, Vol. 291, pg. 1683 - Gretchen Vogel - Otto Premi Nobel hanno firmato una lettera al Presidente Bush perché permetta ai ricercatori finanziati dallo stato di utilizzare le cellule staminali umane che hanno la capacità di svilupparsi in ogni tipo di tessuto. L’Amministrazione Bush è attualmente condizionata dai gruppi antiabortisti che bloccano i finanziamenti federali nelle ricerche sulle cellule staminali embrionali. Queste cellule possono essere utili nel trattamento di malattie come il Parkinson e il diabete, in alcuni casi si usano cellule staminali prese da adulti, ma è più controverso l’uso di cellule derivate dai feti abortiti o da embrioni umani conservati. La posizione dei ricercatori è di poter procedere su tutte le direzioni. L’US Department of Health and Human Services è stato incaricato di rivedere la politica del NIH stabilita lo scorso anno secondo cui i ricercatori finanziati dal governo non possono produrre cellule staminali embrionali umane, ma possono usare quelle fornite dai laboratori privati in accordo con certi principi etici.

Science, 27 Apr 2001, Vol. 292, pg. 624 - Elizabeth Finkel - L’apoptosis, o morte programmata delle cellule avviene come una ben programmata operazione militare. In pochi minuti le cellule portano al collasso le loro strutture di supporto, il materiale viene digerito ed impaccato ed il tutto è portato via dalle cellule spazzino. L’apoptosis è una funzione chiave della vita, nello sviluppo dell’embrione serve a distruggere le cellule in eccesso e più tardi distrugge le cellule danneggiate, per questo i ricercatori sono interessati a comprenderne il meccanismo. Negli ultimi anni vi sono idee divergenti circa il ruolo che avrebbero nell’apoptosis i mitocondri, le strutture che all’interno della cellula forniscono la maggior parte dell’energia. Molte prove fanno pensare che sono i mitocondri a decidere quando la cellula deve morire non appena riconoscono una situazione di stress; a questo punto i mitocondri rilasciano un insieme di fattori detti caspases che distruggono le proteine della cellula. Una minoranza tuttavia ritiene che il segnale primario di apoptosis venga direttamente dalle caspases e successivamente intervengono i mitocondri. La soluzione è difficile perché le reazioni avvengono troppo rapidamente per determinare una sequenza temporale. Il meccanismo è importante perché un’apoptosis difettosa è all’origine delle maggiori malattie. Un eccesso di apoptosis può provocare la perdita di cellule nervose e quindi un colpo apoplettico o l’Alzheimer, un difetto di apoptosis può provocare il cancro o immunodeficienza. Fino a 5 anni fa i ricercatori hanno posto poca attenzione ai mitocondri, poi nel 1996 si trovò che l’attività enzimatica era promossa della cytichrome-c una proteina dei mitocondri e questa ha anche una funzione pro-apoptosis come le caspases ed un’altra proteina detta apoptosis-inducing factor (AIF). Così i mitocondri divennero il centro del processo di apoptosis, ma alcuni rimasero scettici e studiando l’apoptosis nel Caenorhabditis elegans scoprirono che l’evento primario era l’attivazione degli enzimi. La complessità dell’apoptosis potrebbe però essere tale che ci possono essere diversi meccanismi a seconda delle circostanze e così tutti avrebbero ragione.

Science, 17 Aug 2001, Vol. 293, pg. 1242 - Gretchen Vogel - Il 9 agosto il Presidente americano George W. Bush ha messo fine a mesi di speculazioni dichiarando alla TV nazionale che egli permetterà il finanziamento federale della ricerca sulle cellule staminali embrionali (ES). Tuttavia la sua affermazione che esistono circa 60 sorgenti di ES, più del doppio di quanto supposto dai ricercatori ha riacceso la discussione. Le cellule ES, che possono trasformarsi in teoria in ogni tipo di tessuto, potranno avere applicazioni nel trattamento di malattie croniche come il diabete ed il morbo di Parkinson, ma per le applicazioni cliniche saranno ancora necessari anni, il loro uso è inoltre controverso per ragion etiche mentre i settori favorevoli temevano che le fonti sarebbero state scarse. Poi dal NIH è venuta l’affermazione che da cinque nazioni, Stati Uniti, Australia Svezia, Israele ed India, vi erano almeno 60 fonti. I nuovi criteri sono più semplici: le cellule ES devono essere derivate da embrioni usati per i trattamenti di fertilità e non più necessari, le coppie donatrici devono dare il loro consenso e senza vantaggi economici. Queste condizioni non obbligano il settore privato e le compagnie o i ricercatori delle università non finanziati dal NIH.

Science, 14 Sep 2001, Vol. 293, pg. 1979 - Elizabeth Pennisi - Dopo i grandi progressi sulla conoscenza del genoma degli esseri viventi i biologi vogliono costruire un nuovo albero della vita che rappresenti l’evoluzione della vita sulla terra. Questo progetto, che userà dati genetici e morfologici, potrebbe essere più costoso del progetto del genoma umano e durare più a lungo, forse da 10 a 15 anni. L’albero della vita riflette le relazioni evolutive fra le specie e stimerà le similitudini fra gli organismi in termini di proteine e geni trovando il loro posto nei vari rami secondo i più recenti studi sull’evoluzione. Vicini alla base del tronco saranno le forme più semplici di vita come i procarioti e gli archea, da questo si dividono gli eucarioti e da qui gli animali e le piante; dagli animali si dividono i mammiferi fino all’uomo. I ricercatori hanno creato fino ad ora alberi parziali che includono 100-1000 specie, ma poco è stato fatto per combinarli. L’assiemaggio richiede la soluzione di molti conflitti. Bisognerà capire come il genoma sia cambiato nel tempo ed anche come i patogeni diventano più resistenti ai trattamenti e come emergono nuove malattie. Degle 1,75 milioni di specie catalogate, solo 50000 sono state assemblate in piccoli alberi ancora separati. Dai tempi di Darwin gli organismi sono stati raggruppati secondo i caratteri morfologici e solo nelle due ultime decadi sono stati introdotti nuovi criteri di classificazione fra questi le similitudini per tratti di DNA. I genomi dei microbi mostrano frequenti trasferimenti di geni fra le specie e quindi l’albero non sarà semplicemente costituito da rami che si biforcano, ma anche da rami che si riuniscono. Piante e batteri si sono spesso fusi, almeno un cloroplasta si è formato quando un’alga primitiva ha inglobato un eucariota fotosintetico. Sono necessari nuovi programmi adatti alla raccolta ed al confronto dei dati, più denaro, più ricercatori ed un maggiore sforzo.

Science, 7 Dec 2001, Vol. 294, pg. 2080 - Robert F. Service - Nell’era del genoma i medici vedevano il futuro dominato da sistemi computerizzati che immagazzinavano l’intero genoma dei pazienti da cui determinare la predisposizione alle malattie. Purtroppo molte malattie non hanno una caratterizzazione genetica chiara ed in realtà ciò che si desidera è conoscere la situazione attuale del paziente e non ciò che gli potrà capitare in futuro; questa informazione può essere fornita solo dall’equilibrio chimico della cellula e dall’alterazione delle proteine al suo interno. Una diagnosi dalle proteine richiede però una tecnologia che ancora non esiste e che dovrebbe analizzare centinaia o migliaia di proteine allo stesso tempo. Attualmente i laboratori delle università e delle industrie del campo sono furiosamente in competizione per sviluppare dei biochips dalle dimensioni di un francobollo che possano rivelare contemporaneamente il più grande numero possibile di proteine. Si trovano già sul mercato i primi rudimentali biochips capaci di rivelare una manciata di proteine, ma si è solo agli inizi mentre è più facile ottenere biochips capaci di rivelare sequenze di DNA. La richiesta e l’aspettativa è pressante e si prevede che il mercato crescerà fino a 500 milioni di US$ entro il 2005 ed alcuni stimano la cifra 10 volte più grande. Le compagnie che si dedicano alla proteomica cercano di trovare proteine e peptidi che siano indicatori correlati a particolari malattie. Una volta trovati basterebbe una goccia di sangue o di urina del paziente per rivelare malattie come il cancro o affezioni al cuore e l’analisi verrebbe eseguita con biochips per quella proteine caratteristiche. Un chip per proteine sarebbe formato da un supporto di vetro o di plastica su cui è stato depositato un array di molecole capaci di legarsi a specifiche proteine, e queste molecole possono essere gli anticorpi delle proteine stesse, quindi un marcatore fluorescente o un altro sistema indicherà che la proteina è stata agganciata. La cosa sembra semplice, ma non lo è; le proteine, data la loro struttura tridimensionale, richiedono per essere catturate una molecola particolare e per ogni proteina il problema è sempre diverso. L’uso degli anticorpi specifici delle proteine è una strada promettente, ma è complessa e si cerca di usare frammenti di anticorpi, ma questi non sono sempre efficaci. La tecnologia non è ancora definita ed i chip attuali sono orientati ad analizzare da decine a centinaia di proteine.

Science, 14 Dec 2001, Vol. 294, pg. 2262 - Gretchen Vogel - In Europa come negli USA scienziati, politici e filosofi sono fortemente divisi sul permettere la ricerca con le cellule staminali embrionali (ES). Il contrasto è particolarmente forte in Germania dove due commissioni di alto livello hanno dato pareri contrastanti sul concedere ai ricercatori di importare cellule ES e la decisione è stata rinviata per la terza volta alla fine di gennaio. In Germania la legge per la protezione dell’embrione vieta la ricerca sugli embrioni umani, ma si obietta che essa non vieta di lavorare su ES importate da altri paesi, i contrasti tuttavia hanno portato ad una moratoria in attesa che il Bundestag dibatta il problema il 30 gennaio prossimo. Il problema diventa politico in previsione delle elezioni nazionali che sono previste per il prossimo settembre. In Svezia invece una legge del 1991 permette la ricerca sugli embrioni ed il governo ha finanziato due laboratori per produrre cellule ES umane ed è stata considerata anche la clonazione terapeutica da cellule adulte di pazienti per utilizzare le cellule staminali nella cura di malattie; è aperta invece la discussione sulla clonazione per scopi riproduttivi.

Science, 21 Dec 2001, Vol. 294, pg. 2458 - Elizabeth Pennisi - Uno dei più grandi misteri della biologia è come da un organismo semplice come un batterio unicellulare si siano evoluti organismi complessi fino all’uomo. Trenta anni fa il genetista Susumu Ohno della City of Hope Hospital di Los Angeles avanzò un’ipotesi rivoluzionaria secondo la quale i grandi salti dell’evoluzione, come la transizione dagli invertebrati ai vertebrati, sono potuti accadere solo attraverso la duplicazione dell’intero genoma. La ridondanza che ne è risultata, con la quale ogni cromosoma avrebbe acquistato un gemello, avrebbe permesso alle migliaia di geni in sovrannumero di evolvere a nuove funzioni, ad esempio una nuova configurazione del corpo ed altre modifiche, pur mantenendo le funzioni dei geni originali. All’inizio i genetisti ne furono entusiasti o spaventati, ma alla fine degli anni ‘80 l’interesse decadde perché non si trovavano elementi né a favore né contro. Ora invece, con le nuove informazioni derivate dalle sequenze di tanti genoma e con i nuovi software per il confronto, i ricercatori cominciano a scoprire segni di duplicazione dei cromosomi e di segmenti di genoma. Gli scettici però non mancano e molti pensano che i cambiamenti evolutivi si siano verificati per duplicazione di singoli geni o segmenti di cromosomi. Rimane il fatto che gli organismi, durante il processo evolutivo, devono avere avuto un modo per mantenere le vecchie funzioni mentre ne acquistano delle altre. Ohno ha ipotizzato che si siano verificate due duplicazioni, una per la transizione da invertebrati a vertebrati ed una seconda che ha portato alla differenziazione dei vertebrati, e ritiene che gli organismi utilizzano meglio un genoma duplicato piuttosto che copie di singoli geni che aumenterebbero solo la produzione della proteina del gene. La genomica comparativa ha mostrato che dove gli invertebrati hanno una sola copia di un gene, i vertebrati ne hanno di più fino a 4, cosa che si accorda con un doppia duplicazione. Stimando poi quando sono comparse queste copie si trova che l’evento di duplicazione dovrebbe essere avvenuto fra 330 e 500 milioni di anni fa.

Science, 18 Jan 2002, Vol. 295, pg. 425 - Elizabeth Pennisi - Microbiologi dell’università del Massachusetts hanno scoperto che dei batteri che vivono nei sedimenti marini possono creare elettricità con un meccanismo simile a quello delle fuel cells. I batteri usano il materiale organico presente nei fanghi marini come combustibile in un ambiente scarso di ossigeno e sottraggono elettroni che possono trasferire ad un elettrodo di grafite (anodo), da questo la corrente fluisce verso un altro elettrodo che si trova fuori dai fanghi in ambiente ricco di ossigeno (catodo). Si crea così una sorgente inesauribile di elettricità di bassa potenza che però potrebbe alimentare dei sensori sottomarini. La produzione di elettricità ha come effetto di consumare il materiale organico presente e quindi di ridurre l’inquinamento organico.

Science, 1 Feb 2002, Vol. 295, pg. 779 - Constance Holden - I ricercatori della Advanced Cell Technology (ACT) hanno comunicato di aver isolato le prime cellule staminali derivate da partenoti di primati, cioè da embrioni provenienti da uova non fertilizzate che nei mammiferi non sono in grado di sviluppare feti. Per creare i partenoti i ricercatori hanno trattato 28 uova di macaco con reattivi chimici capaci di impedire loro di espellere la metà dei loro cromosomi come quando vengono fertilizzate ed indurle a dividersi; 4 su 28 hanno sviluppato dei blastociti e quindi una considerevole varietà di cellule staminali. Naturalmente nessuno sa ancora se lo stesso possa essere fatto sugli esseri umani. Il metodo è interessante dal punto di vista etico perché i partenoti non possono sviluppare esseri umani e possono sostituire gli embrioni per generare cellule staminali, ma la loro compatibilità genetica sarà solo per le donne che forniscono le uova.

Science, 8 Feb 2002, Vol. 295, pg. 998 - Patrick M. McCarthy - Ogni anno negli USA circa 200 pazienti con il cuore lesionato ricevono un trapianto di cuore, ma annualmente circa 400000 persone hanno lesioni al cuore e di questi fra 30000 a 100000 potrebbero trarre beneficio da un trapianto di cuore. I medici hanno lavorato per decenni per sviluppare complessi sistemi come i pacemaker o le valvole cardiache per salvare i pazienti; l’obiettivo ultimo è di sviluppare un dispositivo che sia anche migliore di un cuore da donatore evitandone i problemi. Una prima soluzione è il Total Artificial Heart (TAH) che sostituisce il cuore del paziente e si affida ad una sofisticata tecnologia. Il TAH deve battere da 35 a 40 milioni di volte in un anno con una portata di 5-6 litri/minuto di sangue. Il progetto attuale ha un’affidabilità del 90% dopo 5 anni di funzionamento ed assicura una probabilità del 70% di 5 anni di sopravvivenza. Il TAH della AbiCor è costruito in titanio e polimeri ed ha un attuatore elettroidraulico pulsante con due pompe di destra e sinistra e, con le recenti migliorie, permette il trasferimento transcutaneo dell’energia elettrica eliminando i fili attraverso la pelle; è anche fornito di batterie ricaricabili interne per brevi periodo di indipendenza dalla sorgente esterna, ma in caso di malfunzionamento il paziente può morire rapidamente, il dispositivo è ancora troppo grande e non si può impiantare in molti uomini, nella maggior parte delle donne e nei bambini ed infine si possono verificare delle infezioni; solo il 10% dei pazienti terminali possono essere trattati. In molti casi i clinici preferiscono ricorrere ad un Ventricular Assist Device (VAD) che sostituisce solo il ventricolo sinistro, luogo della maggior parte dei danni al cuore. Il VAD è più piccolo, ha una pompa rotante ed è molto più economico, inoltre il cuore rimane al suo posto e potrebbe autoripararsi con il tempo e riprendere le sue funzioni rimuovendo il VAD. Il VAD è stato sviluppato nel 1963 ed il suo progresso è stato rapido negli anni ‘90. Nel futuro si vedono due scenari. Uno è nell’uso di piccole pompe continue con trasferimento di energia transcutanea, l’altro è nella combinazione sinergica di dispositivi meccanici e terapie biologiche genetiche e di trapianti di cellule staminali per promuovere la riparazione del muscolo cardiaco; una volta riparato il muscolo, la pompa può essere rimossa.

Science, 8 Feb 2002, Vol. 295, pg. 1002 - Jerry E. Squires - L’idea di usare un sostituto del sangue umano nelle trasfusioni non è nuova. Nel 1700 Sir Christopher Wren suggeriva che la birra, il vino ed anche l’oppio potevano essere usati come sostituti, ma solo nel 1901 iniziò l’era delle trasfusioni con la scoperta dei gruppi sanguigni di Karl Landsteiner; questi classificò il sangue nei gruppi A B C (poi denominato 0) ed un anno dopo fu aggiunto il gruppo AB. La trasfusione fu prima limitata dalla mancanza di anticoagulanti e di metodi di immagazzinaggio del sangue poi le due guerre mondiali accelerarono il progresso e ne fecero un normale trattamento. Il sangue ha lo scopo di trasportare ossigeno e rilasciarlo ai tessuti assorbendo l’anidride carbonica. Questa funzione è svolta dall’emoglobina, una proteina contenuta nei globuli rossi, altri componenti del sangue sono i globuli bianchi, importanti per la risposta immunitaria, ed i frammenti di cellule, dette piastrine, che facilitano la coagulazione nel caso di ferite. Vi sono molte ragioni per sviluppare un sostituto del sangue: problemi di immagazzinaggio, rischio di contaminazione batterica e virale (HIV), scarsità di sangue dai donatori. Un sostituto ideale del sangue non deve avere problemi di incompatibilità, deve permettere lunghi periodi di immagazzinaggio, deve rimanere in circolazione per diverse settimane prima che venga filtrato dai reni, deve essere esente da effetti collaterali e dai patogeni ed infine deve trasportare e trasferire ossigeno ai tessuti. Attualmente i due tipi di sostituti in sviluppo sono quello chiamato HBOC (Hemoglobin-Based Oxygen Carrier) e quello che usa emulsioni di perfluorocarbonio. Lo HBOC è una soluzione di emoglobina senza cellule che mantiene la sua proprietà di trasportare ossigeno e non ha problemi di compatibilità, inoltre può essere sterilizzata con ultrafiltri e bassa temperatura cosa che non è possibile in presenza dei globuli rossi. Gli inconvenienti sono la sua brevissima vita in circolazione non avendo la protezione dei globuli rossi, i molti effetti negativi collaterali ed il basso trasferimento di ossigeno ai tessuti per la sua alta affinità. Una sorgente per l’emoglobina è il sangue dei donatori che ha superato il tempo massimo di immagazzinaggio, un’altra, più abbondante ed economica, è il sangue dei bovini, ma esiste ancora il timore che possa contenere il prione della encefalopatia spungiforme bovina. I prodotti a base di perfluorocarbonio hanno un’eccellente capacità di trasporto dell’ossigeno e sono stati usati per i nati prematuri con difficoltà respiratorie inoltre è l’unica opzione di trasfusione per quelle persone che per motivi religiosi non accettano sangue umano o proteine di origine animale. Il perfluorocarbonio non è però miscibile con acqua e deve essere preparato come emulsione. Un tipo è stato approvato dalla FDA per l’uso nella chirurgia cardiaca. Oggi i test e le procedure di screening hanno reso molto sicura la trasfusione di sangue dai donatori anche nei riguardi delle infezioni da HIV e l’unico problema è la scarsità, ma un sostituto del sangue richiede ancora un lungo lavoro di ricerca prima di poter entrare nella routine.

Science, 8 Feb 2002, Vol. 295, pg. 1008 - Jennifer Couzin - Nei primi anni ‘60 Keith Reemtsma, un chirurgo dell’università di Tulane, New Orleans, trapiantò reni di scimpanzé su sei pazienti ed iniziò l’era degli xenotrapianti, cioè il trasferimento di organi da una specie all’altra. Una persona sopravvisse per 9 mesi e questo creò un grande entusiasmo, ma l’esperienza di questi ultimi 40 anni non ha mostrato grandi progressi e nessun paziente che abbia ricevuto un organo intero da specie diversa è sopravvissuto più di 9 mesi. Recentemente gli scienziati hanno scelto i maiali come donatori perché i loro organi assomigliano di più a quelli umani per dimensioni e funzioni. Sono molto usate le valvole cardiache del maiale, ma dopo averne uccise la cellule viventi. I tessuti viventi del maiale inducono una reazione di rigetto molto acuta per la presenza nelle cellule di uno zucchero detto alfa-galactosio. In gennaio i ricercatori hanno creato un maiale con un solo gene per l’alfa-galactosio invece di due e sperano di produrre un altro maiale senza il secondo gene, cosa che potrebbe rendere più facili gli xenotrapianti. Altre parti del maiale che si possono trapiantare sono i neuroni ed il midollo spinale che non hanno effetti di rigetto. Sono stati usati per pazienti con disturbi neurologici, ma con risultati discutibili. In altri casi è stato usato il fegato di maiale per trattare il sangue di pazienti che non potevano usare il proprio e questo ha prolungato la loro sopravvivenza in attesa di un donatore umano. Molte diffidenze contro gli xenotrapianti dai maiali derivano dalla paura che virus porcini innocui possano diventare letali quando trasmessi negli umani. Per il momento la FDA degli USA permette gli esperimenti di xenotrapianti solo caso per caso e con il consenso dei pazienti.

Science, 8 Feb 2002, Vol. 295, pg. 1014 - Larry L. Hench and Julia M. Polak - Materiali biomedici usati per uso clinico, fra cui le protesi, selezionati per la minima tossicità ed esenti da patogeni sono stati scelti per la prima volta negli anni ‘60 e ‘70. Una seconda generazione di materiali per applicazioni ortopediche e dentali sono stati sviluppati a metà degli anni ‘80 usando vetro, ceramica e materiali compositi; i materiali bioattivi sono materiali porosi che facilitano il fissaggio con i tessuti viventi. Un altro progresso si è avuto con lo sviluppo di biomateriali riassorbibili come quelli per suture usate all’interno del corpo, in polilattice (PLA) o poliglicoli (PGA), che si decompongono il anidride carbonica ed acqua; sono ormai di uso comune dal 1984. La terza generazione di biomateriali è quella capace di stimolare una specifica risposta cellulare a livello molecolare. Sono materiali con macropori o spugnosi che stimolano la rigenerazione dei tessuti viventi. Ve ne sono di due tipi. Uno è un promotore di tessuti costituito da un supporto riassorbibile su cui vengono seminate delle cellule progenitrici che si sviluppano formando il tessuto che poi viene impiantato su quello danneggiato del paziente. Le applicazioni riguardano la riparazione di cartilagini delle articolazioni, ricostruzione della pelle e sistemi vascolari. Un altro approccio riguarda la rigenerazione dei tessuti in situ ed usa biomateriali in forma di polveri, soluzioni o microparticelle che stimolano la riparazione locale dei tessuti sfruttando i fattori di crescita. Molto promettenti sono le tecniche che usano le cellule staminali embrionali nella riparazione dei tessuti e nella chirurgia non invasiva come anche nel trattamento del Parkinson. Il futuro vede lo sviluppo di biomateriali progettati per specifici pazienti e destinati a malattie specifiche.

Science, 8 Feb 2002, Vol. 295, pg. 1022 - Eberhart Zrenner - La visione è un processo informativo complesso che dipende da un processore neuronico posto dietro l’occhio detto retina. La luce, focalizzata dalla lente dell’occhio sulla retina, viene raccolta da 130 milioni di fotoricettori detti coni e bastoncelli, i primi forniscono l’informazione di colore, i secondi quella acromatica. L’immagine viene trasformata in segnali elettrici e chimici e l’uscita dei 130 milioni di fotoricettori viene compressa da un complesso circuito di neuroni, trasportata da 1,2 milioni di neuroni specializzati i cui assoni costituiscono il nervo ottico e trasferita alla corteccia visiva del cervello. La cecità può derivare da un danno in uno qualunque degli elementi del sistema, la parte ottica, la retina, il nervo ottico o la corteccia visiva. In Germania circa 17000 pazienti diventano ciechi senza possibilità di trattamento ed il 50% è causato da danni alla retina. La causa è una malattia denominata retinite pigmentosa o una degenerazione progressiva dovuta all’età. Creare un sistema di sensori elettrici da impiantare sulla retina per restituire in parte la funzione visiva è estremamente difficile. Agli inizi degli anni ‘90 i ricercatori hanno cercato di sviluppare protesi da impiantare nella retina e questi sono di due tipi: subretinal ed epiretinal. L’impianto subretinal è applicato fra lo strato epiteliare pigmentoso e lo strato che contiene i fotoricettori con una sottile piastrina che contiene centinaia di migliaia di microfotodiodi che, eccitati dalla luce, trasferiscono la corrente nei neuroni rimasti della retina. Un impianto epiretinale invece si applica direttamente agli assoni del nervo ottico e vi trasferisce segnali elettrici prodotti da una fotocamera esterna e processati in modo opportuno. La protesi subretinale ha il vantaggio di sfruttare la rete neuronale della retina ed è anche più facile da impiantare. L’impianto epiretinale ha il sensore esterno in una fotocamera posta in una lente plastica intraoculare, l’informazione deve essere trasformata in treni di impulsi spaziotemporali per stimolare i gangli del nervo ottico ed è necessaria una tecnica chirurgica specifica. Attualmente ambedue le tecniche sono a livello sperimentale. Nel 1993 sono stati pubblicati solo due rapporti sull’impianto di protesi visive, nel 1999 le presentazioni sono salite a 33 ed il loro numero cresce continuamente, anche i progressi sono continui in campo chirurgico, nella stabilità e biocompatibilità delle protesi e nella nanotecnologia.

Science, 22 Mar 2002, Vol. 295, pg. 2215 - Daniel E. Koshland Jr. - Non esiste una definizione semplice della vita. Anche l’affermare che essenziale per la vita è la capacità a riprodursi è semplicistico, infatti negli organismi complessi la riproduzione richiede l’unione di due esseri di sesso diverso e si negherebbe l’attributo di vivente al singolo individuo. Un essere vivente è un’unità organizzata che ha reazioni metaboliche, si difende dagli attacchi esterni, reagisce agli stimoli e può essere almeno partner nel processo di riproduzione. In una definizione più completa è necessario stabilire i pilastri su cui si fonda la vita, essenziali in ogni parte dell’universo, includendo anche una vita artificiale. Si possono così enumerare 7 pilasti che includono le proprietà indispensabili ad ogni essere vivente, le cui iniziali costituiscono la parola PICERAS che diventa così sinonimo della vita. Il primo pilastro è il Programma cioè un piano organico che descrive gli ingredienti e le interazioni fra di essi. Nella vita sulla Terra, come noi la conosciamo, il programma è implementato dal DNA e dai geni che lo replicano da una generazione all’altra. Il secondo pilastro è l’Improvvisazione cioè la capacità di cambiare il proprio programma per adattarsi alle condizioni imposte dall’ambiente circostante; questi cambiamenti sono ottenuti con un lento processo di mutazioni e selezioni per ottimizzare l’adattamento. Il terzo pilastro è la Compartimentalizzazione per cui ogni organismo è confinato in un volume limitato, circondato da una superficie che chiamiamo membrana o pelle che contiene tutti gli ingredienti e li difende dalle aggressioni esterne. Nei grandi organismi si distinguono compartimenti più piccoli che chiamiamo cellule o organi come gruppi di cellule in cui sono centralizzate specifiche funzioni. Il quarto pilastro è l’Energia perché la vita è movimento ed è un sistema non in equilibrio, quindi richiede una sorgente di energia esterna chimica o elettromagnetica come nella fotosintesi. Il quinto pilastro è la Rigenerazione. Il metabolismo è associato a produzione di rifiuti e danni per fatica e collasso delle cellule. Ci deve essere un piano per espellere i rifiuti e rigenerare continuamente le parti danneggiate. Nella Rigenerazione è inclusa la riproduzione dell’intero organismo. Il sesto pilastro è l’Adattabilità che è simile all’Improvvisazione, ma più immediata essendo una risposta comportamentale a stimoli esterni essenziale alla sopravvivenza come una controreazione ed è parte integrante del Programma. L’ultimo pilastro è la Specificità (Seclusion) una specie di Privacy per cui i processi seguono un ordine prestabilito con l’intervento specifico di agenti come gli enzimi, ma sono sempre controllati da sistemi di controreazione.

A livello del singolo individuo il sistema non è perfetto e la sua esistenza sarà limitata nel tempo; è nelle generazioni successive che l’Improvvisazione crea le premesse per meglio resistere ai cambiamenti dell’ambiente. Per il momento abbiamo un solo esempio di organizzazione vivente, quello della Terra e sarebbe interessante trovare altri meccanismi autoconsistenti capaci di produrre un diverso modello.

Science, 10 Oct 2003, Vol. 302, pg. 214 - Jean Marx - Da più di 30 anni i biologi sapevano che le cellule si muovono producendo dei filamenti costituiti dalla molecola di una proteina globulare chiamata actina che costituisce il loro scheletro esterno, ma solo recentemente hanno sviluppato uno schema completo del sistema di segnali e di trasformazioni molecolari che le cellule usano per rimodellare il loro scheletro di actina. La mobilità delle cellule è essenziale per comprendere la biologia di molti processi biologici, dallo sviluppo degli embrioni alle funzioni del sistema immunitario, e questo include molte malattie come le infezioni batteriche e la metastasi del cancro che fa migrare le cellule tumorali. I movimenti delle cellule sono indotti da una grande varietà di stimoli esterni che agiscono sui ricettori della membrana cellulare. Si è quindi cercato di capire come questi segnali ordinano alla cellula di rimodellare i filamenti di actina e come questi filamenti si organizzano in strutture tridimensionali. I biologi hanno individuato numerose proteine cellulari che agiscono in questi meccanismi e sono stati aiutati 5 anni fa dallo studio dei batteri patogeni e particolarmente dal Listeria monocytogenes. Il Listeria che causa meningite, una volta entrato nel citoplasma della cellula, induce la formazione di filamenti di actina che collegano le cellule e facilitano la diffusione del batterio senza esporsi all’attacco del sistema immunitario. Una proteina sulla superficie del Listeria, detta ActA, induce nella cellula la formazione dei filamenti. Nel 1997 fu scoperto un complesso di proteine, Arp2/3, che agisce nell’accrescimento dei filamenti e che interagisce con la proteina ActA. Nel complesso Arp2/3 c’è il meccanismo di ricezione dei segnali esterni che mette in moto la formazione di filamenti. Non è ancora chiaro come questi filamenti producono la forza per il movimento delle cellule essendo singolarmente lunghi e sottili. Si è visto che all’estremità i filamenti sono ramificati e vi sono proteine del complesso che agiscono per irrigidire il filamento e creare un cappello all’estremità. Si è scoperto infine che, quando le cellule cancerogene del seno diventano metastatiche, una delle proteine del complesso Arp2/3, la cofilin, ha un ruolo chiave insieme allo EGF (epidermal growth factor).

Science, 5 Dec 2003, Vol. 302, pg. 1646 - Elizabeth Pennisi - In settembre la Harward University ha aperto un nuovo Dipartimento che sarà dedicato alla Systems Biology, un nuovo complesso campo di indagine. Anche il Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha avviato la Computational and Systems Biology Initiative con 80 membri ed il Weizmann Institute of Science in Israele pianifica un proprio istituto. Tutte queste iniziative tendono a creare legami fra biologia, matematica ed ingegneria. Le nuove tecnologie hanno inondato i ricercatori con un diluvio di informazioni sui geni, le proteine, la dinamica cellulare e la risposta degli organismi alle mutazioni ed all’ambiente. I biologi sistemisti hanno affrontato questa sfida usando matematica e statistica per integrare i dati e creare una descrizione completa del funzionamento delle reti biologiche dalle cellule agli organismi completi. L’ammontare delle informazioni sul genoma nei database pubblici raddoppia ogni 18 mesi. Un nuovo mondo si apre ed i ricercatori sono forzati ad adottare nuovi modi per fare biologia, la maggiore potenza di calcolo disponibile ed i nuovi algoritmi hanno cambiato l’attitudine a vedere i problemi. In St. Louis, Missouri, più di 500 ricercatori si sono scambiati idee sui risultati di ricerche alla 4° Conferenza Internazionale di Systems Biology promossa dalla NSF e dalla NIH. Non ci si limita a catalogare le parti e le interazioni, ma ci si chiede come si creano le nuove funzioni focalizzandosi sulla dinamica e le proprietà che si generano dalle interazioni. L’analisi matematica del sistema diviene una parte essenziale del nuovo approccio. Si sono creati dei modelli dettagliati ed i ricercatori hanno imparato che più dati si incorporano nei modelli più questi sono capaci di predire con accuratezza la risposta di un complesso sistema biologico. La spinta propulsiva alla biologia di sistema è stata data dal Progetto Genoma e dai nuovi software che hanno analizzato il genoma nel suo complesso e l’enorme massa di dati. Pur con una transizione graduale, a metà degli anni ’90 la biologia di sistema è diventata un mondo di analisi matematica di dati. Si costruiscono modelli basati su dati provenienti da tutti i livelli della biologia: espressione dei geni, locazione delle proteine nella cellula, funzioni cellulari, rappresentazione al computer di organi ed organismi. Esempi sono i modelli che esaminano il comportamento dei fagi, i virus dei batteri, quando uccidono la cellula ospite, i modelli di sviluppo degli embrioni nella formazione degli organi, i modelli del cuore negli studi clinici per valutare i guasti e le terapie geniche, ma in genere le regole della biologia restano elusive. La biologia di sistema è ancora alla sua infanzia, mancano standard di procedure sperimentali e di programmazione software, una delle maggiori difficoltà sta nell’integrare le discipline ed è sempre difficile per i matematici capire ciò di cui hanno bisogno realmente i biologi. Un vero progresso si potrà avere aggiornando i curricula degli studenti nelle scuole di medicina e questo è nel programma delle università e delle agenzie per lo sviluppo della biologia.

Science, 6 Aug 2004, Vol. 305, pg. 766 - Elizabeth Pennisi - Il problema dell’origine del nucleo della cellula è intimamente legato alla nostra stessa origine. L’arrivo del nucleo nella scena biologica ha aperto la strada alla grande diversità della vita multicellulare. Lo scorso mese in una riunione in Francia, a Les Treilles dal 7 al 13 luglio, due dozzine di microbiologi, esperti dell’evoluzione, delle cellule ed altri hanno trattato il tema dell’origine del nucleo. Nello scambio di opinioni si è parlato degli organelli come risultato dell’unione di microbi, si è detto che l’innovazione di partenza è stata molto più antica e la teoria più radicale fa risalire ai virus lo sviluppo cellulare. Tutti hanno riconosciuto che si è sottostimata la complessità dei precursori delle cellule eucariote di 1,5 miliardi di anni fa e che queste cellule ancestrali avevano già più strutture, geni e processi biochimici di quanto immaginato. Alla fine nessuna ipotesi sull’origine del nucleo ha prevalso. Ciascun nucleo di una cellula eucariota consiste di una doppia membrana a base di grassi punteggiata da migliaia di complesse proteine chiamate pori nucleari che controllano il traffico molecolare da e verso gli organelli. All’interno le polimerasi ed altri enzimi specializzati trasferiscono i messaggi codificati con le proteine del DNA allo RNA. Il nucleo contiene anche un nucleolo, un pacchetto di RNA e proteine che vengono modificati e portati fuori dal nucleo per costruire i ribosomi. Nei batteri invece DNA, RNA, ribosomi e proteine operano insieme all’interno della cellula principale. Fino al 1970 il dibattito sull’evoluzione delle prime cellule eucariote era dominato da due teorie. Secondo la prima un gruppo di batteri è stato all’origine del nucleo e quindi delle cellule eucariote. Per la seconda teoria le cellule eucariote sono venute prima, ma col tempo alcune hanno perduto il nucleo ed hanno creato i batteri. Successivamente, osservando le diversità delle sequenze del DNA di alcuni geni in centinaia di microrganismi i è scoperto che i batteri si possono dividere in due regni: batteri propriamente detti ed archea. Questi sembra siano nati 2 miliardi di anni fa, milioni di anni prima degli eucarioti e sono molto più vicini agli eucarioti dei batteri. Gli eucarioti contengono geni degli archea e dei batteri e quindi sono nati dalla loro simbiosi. Questa simbiosi è nata dalle esigenze del metabolismo. Alcuni assumono che archea e batteri siano comparsi prima degli eucarioti, altri suppongono che cellule simili agli eucarioti erano presenti già prima o al tempo della separazione fra archea e batteri. Una terza ipotesi è che l’origine del nucleo è legata ai virus. Si suppone che i virus fossero già molto comuni nella zuppa primordiale vivente e che solo più tardi siano diventati dipendenti dalle cellule per sopravvivere. I virus hanno l’abilità di mettere residenza all’interno di una cellula infettandola senza ucciderla con i suoi geni e quindi hanno potuto influenzare l’evoluzione della cellula introducendo nuovi geni e nuove funzioni. Si pensa che un virus, posizionatosi all’interno di un archea, abbia messo le basi per il nucleo e quindi l’architettura genetica di un eucariota deriva dalla sovrapposizione delle architetture genetiche di un virus e di un archea, in definitiva noi tutti discendiamo essenzialmente dai virus. Per scoprire quale delle ipotesi è quella più attendibile i biologi dell’evoluzione devono confrontare a fondo le similarità genetiche di microrganismi con quelle degli eucarioti.

Science, 3 Sep 2004, Vol. 305, pg. 1383 - Elizabeth Pennisi - I fringuelli di Darwin sono stati all’origine dalla biologia dell’evoluzione. Dopo aver esplorato le isole Galapagos nel 1835, Charles Darwin fu incuriosito dal modo con cui variavano in forma e dimensioni i becchi dei fringuelli. Ogni becco sembrava specializzato ad uno scopo preciso come frantumare i semi o succhiare il nettare. Una volta formulata l’idea dell’evoluzione, Darwin comprese che questi uccelli esemplificavano i principi della teoria ed oggi questi uccelli canori sono spesso citati come perfetto esempio del modo con cui nascono le nuove specie sviluppandosi in nicchie ecologiche. Ora i biologi dello sviluppo hanno aggiunto un nuovo tassello a questa storia. Due team di ricercatori hanno scoperto che una proteina associata allo sviluppo del cranio e di altre ossa è una delle molecole che condizionano la forma del becco. Questa molecola è detta “bone morphogenic protein 4” (BMP4) e si è visto che anche alterando il livello della BMP4 durante lo sviluppo si producono alterazioni della forma. Tre specie di fringuelli di terra hanno un becco robusto adatto a frantumare i semi, altre tre specie di fringuelli del cactus hanno un becco snello ed appuntito adatto a prelevare il nettare. Osservando gli embrioni dei fringuelli a differenti stadi del loro sviluppo e documentando quando e dove i geni di 10 diversi fattori di accrescimento (grow factor) intervenivano nelle 6 specie di fringuelli, si vide che BMP4 era il solo fattore che distingueva i fringuelli di terra da quelli dei cactus. Queste osservazioni hanno dimostrato in modo convincente che BMP4 influenza la forma del becco. Forse altri geni e molecole vi sono coinvolte, ma si comincia a comprendere il meccanismo della plasticità morfologica.

Science, 1 Oct 2004, Vol. 306, pg. 31 - Elizabeth Pennisi - Le diadomee sono un enigma. Né piante né animali esse hanno in comune le caratteristiche biochimiche di ambedue. Una semplice cellula di alga è ricoperta da un elegante involucro di silice come una scultura. Ora un team di 45 biologi ha fatto un gran passo per risolvere la natura paradossale di questi strani microbi. Si è sequenziato il genoma del Thalassiosira pseudonana che vive in acque salate ed è un laboratorio favorito fra gli esperti di diadomee. Le diadomee rimontano a 180 milioni di anni fa ed i resti dei loro scheletri formano le rocce porose dette diadomite usate per filtri industriali. Oggi le diadomee occupano vaste zone degli oceani e delle acque dolci dove hanno un ruolo nel ciclo del carbonio. L’azione di fotosintesi delle diadomee produce 19 miliardi di tonnellate di carbonio organico, circa il 40% del carbonio marino prodotto ogni anno e questi organismi hanno un’importanza straordinaria nell’ecologia globale. Una bozza di genoma indica 34 milioni di basi ed 11500 geni nei cromosomi e nel DNA dei cloroplasti e dei mitocondri. L’analisi di questi geni e delle proteine che codificano confermano che le diadomee hanno una storia complessa. Come i microbi più antichi hanno acquisito nuovi geni inglobando altri microbi e l’acquisizione più significativa è stata quella di un’alga che ha fornito il meccanismo di fotosintesi. Alcuni biologi suppongono che le diadomee derivano da un microbo originario da cui derivarono successivamente piante ed animali perché geni del T. pseudonana si trovano nei genomi di alcune piante ed animali. Circa 182 proteine del T. pseudonana sono simili solo alle proteine delle alghe rosse ed altre 865 si trovano fra le piante. Circa la metà delle proteine codificate dai geni rimanenti delle diadomee sono simili a quelle corrispondenti di piante, animali ed alghe rosse. L’analisi del nuovo genoma ha fatto luce sul modo con cui una diadomea costruisce l’intricata struttura del suo involucro. Sono state scoperte dozzine di proteine coinvolte nella deposizione del silicio e ci si aspetta di trovarne altre. Questi progressi possono dare un grande aiuto agli scienziati dei materiali ed avere delle ricadute sulla nanofabbricazione. Vi sono oggi più di 100 specialisti delle diadomee e l’interesse continua ad espandersi.

Science, 10 Dec 2004, Vol. 306, pg. 1880 - Martin Enserink - Questo inverno l’Africa ancora una volta sta combattendo una battaglia contro la locusta del deserto, la Schintocerca gregaria. Ondate di locuste hanno invaso il Marocco del sud e parte della vicina Algeria dalla Mauritania e dal Senegal ed ogni giorno dozzine di aeroplani cercano di distruggerne grandi quantità, ma dopo 50 anni di esperienza la lotta alle locuste è più un’arte che una scienza; nessuno sa come prevenire il flagello o soffocarlo quando avviene né è chiara l’efficacia delle migliaia di litri di pesticidi irrorati. Non ci sono abbastanza ricercatori nel campo delle locuste e, poiché il flagello si verifica a lunghi intervalli, non c’è continuità nella ricerca e non si sa se valga la pena. I paesi interessati dichiarano enormi costi economici, ma molti dubitano che siano maggiori di quelli provocati da altri insetti o dalla siccità. L’ultima emergenza durata 3 anni è finita nel 1989 ed ha interessato più di 30 paesi dell’Africa occidentale fino all’India; i donatori hanno speso più di 300 milioni di US$ per aiutare a fermarla ed una cifra uguale hanno speso i paesi interessati. La maggior parte delle locuste del deserto sono insetti solitari e solo dopo forti piogge e un aumento della vegetazione essi subiscono uno spettacolare incremento, cambiano comportamenti e diventano gregari unendosi in sciami prima separati e poi sempre più grandi fino a diventare giganteschi. Sono stati creati dei sistemi di allarme con team locali per un intervento preventivo e l’aiuto è coordinato dalla FAO. L’ultimo flagello è stato provocato da abbondanti piogge nel Sahel nell’estate del 2003 che ha provocato un serio aumento delle locuste in Mauritania, Mali e Niger poi, dopo alcuni giorni di forti piogge in ottobre, ha creato le condizioni ottimali per la moltiplicazione delle locuste nei successivi sei mesi. La FAO ha contribuito alla lotta con 9 milioni di US$, ma le altre nazioni sono state lente nel contribuire ed intanto è trascorso un altro inverno e poi la primavera e l’estate. Gli esperti discutono se la migliore strategia sia la prevenzione perché la formazione dei piccoli sciami è molto dispersa e ci vuole un’organizzazione capillare per trovarli mentre i grandi sciami sono un più facile bersaglio. Altri insistono nella prevenzione perché quando lo scorso anno le locuste comparvero nell’Africa occidentale si diffondevano anche in Sudan ed attraverso il Mar Rosso passarono in Arabia Saudita, tradizionale strada per il Pakistan e l’India. Un altro dibattito riguarda il massiccio uso di pesticidi. Da ottobre 2003 sono stati irrorati 110000 kmq di territorio con 11 milioni di litri di pesticidi, in maggioranza organofosfati. Il rischio per gli uomini viene mitigato evitando i villaggi ed analizzando regolarmente il sangue dei lavoratori, ma c’è una spinta a ridurne l’uso e si cercano delle alternative, ad esempio con una tossina prodotta dal fungo Metarhizium anisopliae, ma la sua consistenza, densa come uno yogurt, lo rende difficile da usare ed i risultati sono ancora incerti. Altri candidati sono insetticidi detti fipronil ed una classe di ormoni detti regolatori dello sviluppo degli insetti. In Algeria e Marocco, se la lotta prosegue per i prossimi 3-4 mesi e non ci saranno troppe piogge in inverno e primavera, si potrà bloccare il flagello. Altri ricordano però che quando si concluse l’invasione del 1989 alcuni ringraziarono i forti venti che soffiarono in ottobre e novembre verso ovest facendone finire miliardi nell’Atlantico. Si dice che le locuste sono come gli uragani la cui devastazione è sempre a livello locale e nazionale e molti sono scettici sulle affermazioni che la scorsa estate metà del raccolto della Mauritania sia andato perduto, tuttavia ci sono dei costi derivati da considerare come quelli sociali dovuti alle migrazioni verso le città dopo un cattivo raccolto.

Science, 4 Feb 2005, Vol. 307, pg. 656 - Dan Ferber - Molti biologi cedevano che l’immortalità fosse possibile per i microbi, ma ora nuovi studi indicano che anche i batteri invecchiano. I biologi sapevano già che con l’età tutte le cellule non vengono generate uguali. Le cellule del corpo (soma) possono deteriorarsi, ma le cellule germinali devono mantenersi più stabili perché devono dare luogo a sperma ed ovuli ed i biologi credevano nell’immortalità dei microbi perché si dividevano in due identiche cellule figlie. Per provare questa assunzione un microbiologo francese ha seguito l’evoluzione di una singola cellula di Escherichia coli. Il batterio a forma di bastoncino si divide a metà per formare due cellule identiche che ereditano un’estremità del padre e l’altra estremità nuova. Quando queste due cellule di dividono di nuovo solo due delle quattro risultanti hanno un’estremità come quella della cellula originale, ma comunemente si ritiene che tutte le quattro cellule siano identiche. Seguendo lo sviluppo della colonia con un microscopio e riprendendo delle immagini ogni 2-4 minuti fino a 6 ore dall’inizio, si sono seguite 94 colonie di 35000 di singole cellule. I ricercatori scoprirono che la crescita delle cellule più antiche, come quelle che avevano ereditato l’estremità di origine, era più lenta e quindi anche un organismo che apparentemente subisce una divisione simmetrica subisce un invecchiamento, ne consegue che la selezione naturale non produce un organismo immortale. Il risultato sembra concettualmente importante e si potrebbe studiare come si verifica l’invecchiamento dei batteri e come è regolato entrando nel cuore della materia vivente.

Science, 6 May 2005, Vol. 308, pg. 782 - Gretchen Vogel - Gli scienziati non sono ancora sicuri quando in un embrione le cellule cominciano a acquistare identità determinando il loro successivo destino nell’organismo. Alcuni embriologi ritengono che anche le cellule più primitive hanno, se non un destino definito, almeno una tendenza a formare una parte o l’altra dell’embrione, ma non tutti sono convinti dell’esistenza di queste preferenze. La domanda fondamentale è come un ovulo fertilizzato dia luogo ad un embrione e poi ad un animale con parti distinte, anteriore, posteriore, superiore ed inferiore. In alcune specie la risposta è ben nota. L’uovo non fertilizzato della mosca contiene già concentrazioni di proteine in regioni diverse che influenzeranno la differenziazione futura; nella rana uno dei primi eventi dopo la fertilizzazione è la formazione di una prominenza sul lato opposto a quello dove è entrato lo sperma che porta le informazioni cruciali per lo sviluppo, ma definire ciò che succede nell’embrione di un mammifero è molto più difficile. Per prima cosa l’ovulo di un mammifero è meno di un millesimo del volume dell’uovo della rana, inoltre l’embrione si sviluppa dentro il corpo della madre e l’osservazione diretta è estremamente difficile. Certo le cellule dell’embrione di un mammifero sono molto più flessibili di quelle degli anfibi o degli insetti. I ricercatori possono prelevare 2, 4, fino a 8 cellule dell’embrione di un topo, ricombinarle con cellule di un altro embrione e produrre un topo sano, nelle rane e nei pesci questo trucco porta a animali con due teste ed altre anormalità. Per decenni questi esperimenti hanno indotto gli scienziati a ritenere che le cellule dell’embrione di un topo sono all’origine tutte uguali e che la prima indicazione di polarità si abbia a livello di blastociti, una sfera di poche dozzine di cellule che si forma circa una settimana dopo la fertilizzazione, e prima si tratta di una pagina bianca. A livello blastociti le cellule si sono differenziate in due tipi: la parte centrale che forma il feto ed una parte della placenta e le cellule trophoblast che formano la maggior parte della placenta e non contribuiscono allo sviluppo del feto; a questo stadio l’embrione ha una polarità ben definita. Nell’ultimo decennio diversi gruppi di ricercatori hanno scoperto prove che una direzionalità compare ben prima della formazione dei blastociti. In un esperimento nel 2001 si sono marcate con delle minuscole gocce di olio le due cellule prodotte alla prima divisione di un ovulo di topo fertilizzato; la zona di separazione creata dalla prima divisione si mantiene nell’accrescimento successivo creando una propria polarità. Successivamente si cercò di verificare se anche le prime quattro cellule formatesi erano distinguibili. Le prime due cellule formano un complesso asimmetrico con un polo detto “animale” e l’altro detto “vegetale”. Le quattro cellule successive sono formate da una che contiene in massima parte citoplasma “animale”, l’altra in massima parte citoplasma “vegetale” e le altre due con un misto di citoplasma “animale” e “vegetale”. Quando poi le quattro cellule vennero rimescolate a formare degli embrioni chimera in alcuni casi gli embrioni si svilupparono normalmente. Un altro team ha trovato però che nessuna delle chimere formate da cellule con citoplasma “vegetale” si è sviluppato dopo l’impianto e sembra quindi che le cellule “vegetali” non contribuiscano alla formazione della parte centrale dei blastociti. Altri non sono completamente convinti e ritengono che la divisione sia influenzata dalla posizione dello sperma nel primo oocita e anche se non si può negare una distinzione nella configurazione dell’embrione le diverse tecniche usate dai diversi laboratori rendono difficile una chiara distinzione nella flessibilità delle cellule. I risultati sono stati troppo diversi ed inconclusivi. Bisognerà individuare un gene o una proteina, come quelle trovate nella rana o nella mosca, che distingua le cellule e se un tale gene esiste verrà trovato.

Science, 11 Nov 2005, Vol. 310, pg. 960 - John Whitfield - Per circa un secolo i microbiologi hanno creduto che gli organismi che si studiano non sono condizionati da confini geografici e tutto si trova dovunque, ma “l’ambiente seleziona”, aggiunge il biologo olandese Lourens Bass-Becking. Tuttavia potrebbe non essere così. Negli ultimi anni molti ecologi dei microbi cominciano a credere che i microbi non sono infinitamente mobili e si fa confusione fra ipotesi e fatti. Gli studi sul DNA ci hanno dato un quadro più dettagliato della diversità dei microbi che richiede una visione più sfumata e la visione molecolare della diversità dei microbi va confrontata con la nostra visione dell’ecologia di piante ed animali basata sulle specie. Questo ci aiuterà a capire il ruolo dei microbi nel rendere vivibile il nostro ecosistema. Si è trovato, che dovunque si vada, l’analisi di campioni di acqua mostra che in 25 millilitri ci sono in media 40 delle 50 specie note di protozoi ciliati Paraphysomonas. Si può dimostrare così che non c’è biogeografia per esseri inferiori al millimetro. Studiando i funghi del deserto australiano si è notato che le differenze fra funghi di luoghi diversi aumentano con l’aumentare delle distanze e gli archea che vivono nelle sorgenti calde del Lassen National Park USA sono fra di loro più simili di quelli trovati nella penisola della Kamchatka, in Russia. Già 150 anni fa i biologi che hanno studiato piante ed animali hanno costatato che il numero delle specie trovate in una certa area di habitat cresce con il crescere dell’area e questo sembra contraddire il principio che tutto si trova dovunque. La maggiore diversità nelle grandi aree dipende dal fatto che le grandi aree sono dal punto di vista ambientale più eterogenee e non perché è più facile disperdervi le specie o è più difficile la loro estinzione. La nostra idea che i microbi si trovano ovunque dipende dal fatto che le nostre idee su di loro sono confuse. Si assegnano specie diverse ai microbi il cui DNA ribosomale differisce più del 97%, ma se si applicasse lo stesso criterio a tutti i primati, dagli uomini ai lemuri, starebbero tutti in una sola specie. La comparazione del DNA fa perdere la realtà biologica. Le specie microbiche sono molto antiche ed hanno accumulato un gran numero di varianti genetiche neutre che non hanno più effetti nell’evoluzione. L’analisi genetica non è tutto e la capacità di batteri molto diversi di scambiarsi il DNA confonde ancora di più la nostra idea di diversità e distribuzione. Comprendere l’ecologia dei microbi, e come essi rispondono agli stress del clima e dell’inquinamento, ci aiuterà a comprendere una biologia che si applica a tutta la vita sulla terra e, confrontando i microrganismi con le piante e gli animali, si potranno scoprire strutture e processi che sono gli stessi in tutti i domini della vita.

Science, 16 Dec 2005, Vol. 310, pg. 1756 - Martin Enserink - Da quando, 23 anni fa, Stanley Prusiner propose la sua eretica teoria che siano i prioni la causa di letali malattie cerebrali senza essere né virus né batteri, ma solo strane proteine, si sono fatti molti studi e recentemente il problema è stato affrontato nella riunione di Dusseldorf del 19-22 ottobre scorso. Gli sforzi per combattere le infezioni del bestiame, la malattia della “mucca pazza”, hanno funzionato e la Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) è andata declinando dopo aver raggiunto un picco nell’United Kindom. Anche la paura di una massiccia ondata della malattia associata agli uomini, detta variante di Creutzfeldt-Jakob (vCJD) non si è materializzata. Tuttavia un rallentamento della ricerca sarebbe una reazione sbagliata; un nuovo scoppio della vCJD potrebbe essere in incubazione, ci sono ragioni per stare all’erta per l’insorgere dalla scarpie, una malattia simile nelle pecore, ed anche nel Nord America c’è una rapida diffusione di una malattia da prioni fra i cervi e le alci. Tuttavia anche dopo anni di ricerche rimangono aperte le questioni fondamentali sui prioni. Sull’agente delle infezioni molti ricercatori si sono convinti dai recenti esperimenti che la teoria di Prusiner sia corretta, cioè che una proteina degenerata propaghi la degenerazione sulle altre, ma alcuni hanno ancora dei dubbi. Rimangono poi altri enigmi; ad esempio dopo un’infezione orale come si trasmette l’infezione dall’intestino al cervello? Si sa che passa attraverso i linfociti ed i nervi periferici, ma queste proteine degenerate si muovono direttamente o provocano un effetto domino infettando le vicine? Una volta arrivate al cervello formano degli aggregati che sono la causa della morte dei neuroni, ma tutte le modalità sono sconosciute. Fortunatamente queste risposte non sono necessarie per mettere sotto controllo BSE e vCJD. Nel 1988 è stato emesso un bando all’alimentazione del bestiame con proteine derivanti da tessuti cerebrali di altre bestie; così i casi di BSE negli UK hanno cominciato a scendere nel 1993; erano 343 nel 2004 e solo 151 nel 2005. Di conseguenza l’Unione Europea (EU) ha ridotto le misure contro la BSE ed ora l’interesse viene concentrato sulla nuova minacce dell’influenza aviaria. In ottobre è stata alzata da 12 a 24 mesi l’età degli animali da cui rimuovere la colonna vertebrale dove si concentrano i prioni. Ora gli scienziati si concentrano sulle pecore e la scarpie che ha infettato le greggi da 250 anni pur essendo innocua per gli umani, ma in laboratorio le pecore possono essere infettate dalla BSE. Negli ultimi 3 anni i ricercatori in Germania, Portogallo e Francia hanno scoperto una nuova varietà di scarpie i cui prioni i accumulano nel cervello e producono sintomi diversi. Nel frattempo negli Stati Uniti ed in Canada la malattia dei cervi e delle alci, detta Chronic Wasting Desease (CWD) scoperta negli anni ’80, si è cominciata ad espandere, ma non ci sono prove che possa attraversare le barriere verso gli uomini. Anche la vCJD si va riducendo dopo un picco di 10 anni fa negli UK, ma alcuni dicono che questo margine è ancora poco e l’incubazione può durare fino a 12 anni. Lo sviluppo di medicine è andato a rilento perché le case farmaceutiche hanno poco interesse per una malattia che colpisce uno su un milione di persone. Stanley Prusiner ha ottenuto il premio Nobel per la sua teoria nel 1997, ma ancora si cerca una prova su di essa nonostante il generale consenso acquisito. Ancora alcuni dubitano che la sola proteina sia la responsabile. Questa proteina, detta PrP(SC), ha una struttura piegata in modo abnorme ed ha la strana proprietà di imporre la sua struttura tridimensionale ad un gran numero di proteine delle cellule dei mammiferi senza l’aiuto di virus o batteri. In ottobre una ricercatrice di Yale ha pubblicato una prova in cui un’infezione attenuata di CJD proteggeva i topi dal contrarne una più intensa, mostrando un effetto di difesa immunitaria come si verifica con i virus, ma altri dicono che la spiegazione è possibile anche con le sole proteine. Il fatto è che progettare una prova irrefutabile della teoria di Prusiner è facile sulla carta, ma difficile a realizzarsi. Si tratta di sintetizzare la PrP(Sc) in vitro e mostrare che produce la malattia in animali sani. Molti laboratori hanno tentato e fallito perché c’è sempre il sospetto che qualche altro fattore venga coinvolto. Anche il team di Prusiner nel 2004 ha creato il prione sintetico e lo ha introdotto nel cervello di un topo inducendovi la malattia, ma anche in questo caso ci sono state osservazioni. Tuttavia altri studiano ancora esperimenti più risolutivi.

Science, 26 May 2006, Vol. 312, pg. 1124 - Ingrid Wickelgren - I ricercatori della compagnia Intelligent Medical Implants (IMI) di Bonn, Germany, hanno progettato un chip delle dimensioni di una piccola moneta che manda segnali su 49 elettrodi eccitando le cellule della retina nella parte posteriore dell’occhio. Da novembre il chirurgo oftalmico Gisbert Richard dell’Università Clinica di Hamburg ha impiantato questi chip su 4 pazienti totalmente ciechi. I chips saranno connessi, tramite un ricevitore ad infrarossi ad una videocamera e ad un computer che simulerà semplici linee e punti ed il paziente li vedrà ed imparerà a localizzarli. La IMI ed un crescente numero di compagnie e gruppi di ricerca stanno sviluppando i primi occhi artificiali per restituire una limitata visione a certe categorie i ciechi e ci sono ora almeno 5 team che hanno impiantato dispositivi sperimentali ed altri seguiranno. In ogni caso, anche i sistemi più sofisticati possono restituire ai ciechi solo forme grossolane di visione in bianco e nero, inadeguate ad orientarsi in luoghi sconosciuti e di questi sistemi ne possono beneficiare solo la minoranza di ciechi per retinite pigmentosa e degenerazione maculare che degrada le cellule della retina, ma ne lascia alcune intatte. I progressi nelle tecniche chirurgiche insieme a quelle della miniaturizzazione elettronica stanno però dando realtà ai tentativi di visione artificiale. I primi tentativi sono iniziati negli anni ’60 quando il Dott. Giles Brindley del Medical Research Council di Londra con il suo team ha impiantato 80 elettrodi sulla corteccia visiva di un cieco per glaucoma e distacco della retina dell’occhio destro, nella regione posteriore del cervello dove si fermano i segnali provenienti dall’occhio. La stimolazione a distanza degli elettrodi ha prodotto sensazioni di luce detti fosfeni. Negli anni ’80 un gruppo di oftalmici del John Hopkins Hospital di Baltimora, Maryland, hanno affrontato il problema limitato di creare delle protesi per l’occhio per aiutare i pazienti che soffrivano di malattie degenerative incurabili alla retina con degradazione dei fotoricettori coni e bastoncelli, ma che lasciavano larghe parti della retina intatte. Le stimolazioni di punti della retina suscitavano sensazioni luminose in posizioni corrispondenti. Negli anni ’90, lo stesso gruppo del Maryland, ha sviluppato una protesi permanente formata da una videocamera posta sul ponte di un paio di occhiali con videoprocessore ed interfaccia elettronica che finiva con 16 fili impiantati sulla retina. Nel 2002 il gruppo si trasferì a Los Angeles, in California e sei pazienti affetti da retinite pigmentosa ebbero impiantato questo sistema ed alcuni percepivano oggetti in movimento. Ora lo stesso team sta lavorando ad un impianto sulla superficie della retina con centinaia di elettrodi che potrebbero essere sufficienti a riconoscere facce e grandi scritte. Il gruppo sta anche lavorando ad una piccola videocamera inserita in una lente artificiale impiantata nell’occhio. I sistemi impiantati sulla retina come quello dell’IMI richiedono telecamere extraoculari e videoprocessori per catturare le immagini. Ponendo gli elettrodi dove si sono perduti i fotoricettori, gli elettrodi eccitano lo strato di cellule intermedie costituendo un impianto subretinale che mantiene la naturale topografia favorendo una percezione più naturale. Questo approccio è stato applicato dall’oftalmologo Alan Chow e dal suo team dell’Optobionics di Naperville, Illinois, nel 2000 su 30 pazienti impiantando un disco di silicio con 5000 microscopiche celle solari che trasformano la luce in elettricità e la trasferiscono a stimolare lo strato di cellule sotto la retina. I risultati sono di moderato o significativo miglioramento delle funzioni di visione ed alcuni di questi miglioramenti fanno dubitare che si tratti solo dell’effetto di stimolazione delle cellule subretinali, ma che potrebbe essere intervenuto un fattore di crescita a migliorare le funzioni delle rimanenti cellule retinali. In ottobre, la Retina Implant GmbH tedesca, ha creato ed impiantato un array subretinale di 40x40 microscopiche celle solari con amplificatori e di queste vengono controllate esternamente 16 elettrodi per studiare gli effetti sul paziente. Anche la strategia di bypassare completamente l’occhio continua ad essere studiata nell’Illinois Institute of Technology (IIT) di Chicago dove si sta sviluppando un array di 1000 microelettrodi da impiantare sulla corteccia visiva di un cieco che abbia danneggiate retina e nervo ottico. Si tratta poi di trovare il modo migliore per introdurre le informazioni visuali nel cervello. Anche per le altre protesi della retina ci sono molte aree oscure. Ad esempio sapere quante parti della retina affetta da retinite pigmentosa rimarranno intatte nel tempo e che cosa succede al tessuto neurale dopo che sia stato stimolato ripetutamente per mesi ed anni.

Science, 23 Nov 2007, Vol. 318, pg. 1224 - Gretchen Vogel and Constance Holden - Per un anno e mezzo i ricercatori di tutto il mondo hanno inseguito un comune obiettivo, quello di riprogrammare direttamente cellule della pelle umana in cellule che si comportassero come le staminali embrionali (ES). In tal modo non sarebbe stato più necessario ricorrere a embrioni o oociti per generare delle staminali specifiche per i pazienti, superando ogni dibattito etico e politico. La strada fu aperta nel giugno 2006, quando Sihnya Yamanaka dell’università di Kyoto, in Giappone ha annunziato che il suo gruppo aveva raggiunto lo scopo con i topi inserendo 4 geni nelle cellule tratte dalla coda. Questi geni sono normalmente resi inattivi nelle cellule dopo differenziazione. Nel giugno di quest’anno Yamanaka ed un altro gruppo mostrarono anche che queste cellule erano realmente pluripotenti. Questa settimana due gruppi hanno annunziato di aver riprogrammato cellule della pelle umana nelle cosiddette “induced pluripotent cells” (iPC) usando però una diversa combinazione di geni. Un rapporto pubblicato da Yamanaka nella rivista Cell del 20 novembre, riferisce che la tecnica usata per i topi funziona bene anche con le cellule umane. Anche James Thomson dell’università del Wisconsin, Madison, riferisce di aver riprogrammato cellule umane con soli 4 geni, di cui due sono diversi da quelli di Yamanaka. Un’altra più importante notizia viene dalla rivista Nature della scorsa settimana da parte di un team dell’Oregon National Primate Research Center che, per primo, ha ottenuto cellule staminali embrionali da embrioni di un primate clonato, avvicinando la possibilità della clonazione terapeutica. I due rapporti sulla riprogrammazione delle cellule umane aiutano a superare la contesa politica ed etica sulle cellule staminali e la clonazione, perché la nuova tecnica produce cellule pluripotenti capaci di trasformarsi in ogni tipo di cellula senza coinvolgere embrioni o oociti ed anche Ian Wilmut dell’università di Edinburgo riconosce che la riprogrammazione diretta delle cellule iPC è più pratica del trasferimento nucleare. Nell’ultimo lavoro Yamanaka ha usato un retrovirus per trasferire nelle cellule adulte i 4 geni per riprogrammarle: OCT3/4, SOX2, KLF4 e c-MYC. Ha usato cellule prese dalla pelle del volto di una donna di 36 anni e dal tessuto connettivo di un uomo di 69 anni ed è riuscito a produrre una cellula iPC per ogni 5000 cellule trattate. Thomson ha usato i geni OCT3 e SOX2, gli stessi di Yamanaka, e due diversi: NANOG e LIN28. Negli esperimenti ha riprogrammato 10000 cellule con un’efficienza inferiore a quella di Yamanaka, ma sempre sufficiente. Il gene c-MYC usato da Yamanaka è un oncogene e questo è un vantaggio per la scelta di Thomson, secondo Wilmut. Anche l’uso di retrovirus per la riprogrammazione può portare a mutazioni, possibile causa di tumori. Il prossimo passo sarà quello di riprogrammare attivando i geni disattivati invece di introdurre delle nuove copie. Thomson osserva che, benché le cellule riprogrammate siano simili alle ES umane, hanno alcune differenze e ci vorranno degli anni per confrontare queste cellule con le ES. La clonazione di un primate è stato un vero successo, perché rispetto agli altri animali i primati sono particolarmente resistenti, come dimostrato dagli insuccessi di Woo Suk Hwang di 2 anni fa. Gli ultimi risultati di clonazione indicano un basso successo, dello 0,7%, e sarà necessario ancora molto tempo. La maggiore difficoltà nella clonazione è quella ottenere invece dei partenoti con l’attivazione degli oociti che hanno solo i geni dell’ovulo donatore. Questo si verifica quando il DNA nucleare non è stato completamente rimosso prima dell’introduzione di un nuovo nucleo. Intanto il prossimo passo è di usare la clonazione per il trattamento di una malattia come il diabete, iniettando le cellule ES clonate in una scimmia modello della malattia. Un’altra verifica è di confrontare le cellule ES clonate di un primate con le cellule riprogrammate con il metodo di Yamanaka e Thomson per vedere se si può fare a meno degli oociti.

Science, 1 Feb 2008, Vol. 319, pg. 560 - Constance Holden and Gretchen Vogel - Favorevoli e contrari alla ricerca delle cellule staminali embrionali (ES) ritengono che la riprogrammazione diretta delle cellule risolverebbe molti problemi sia etici che scientifici, ma il quadro che si presenta non è semplice come alcuni avevano sperato. Alla fine dello scorso anno due team, uno in Giappone e l’altro negli Stati Uniti, hanno annunziato di avere prodotto cellule simili alle ES introducendo alcuni geni nelle cellule della pelle. Subito dopo un altro gruppo della Harvard University ha annunziato di aver prodotto le cosiddette induced pluripotent stem (iPS) cells da diversi tessuti. In seguito però, tutti hanno scoperto che le iPS hanno ancora problemi ed i ricercatori riconoscono che è ancora presto per chiudere il capitolo delle cellule ES umane perché non è chiaro se le iPS saranno sicure per l’uso nei pazienti. Sihnya Yamanaka dell’università di Kyoto è stato il primo ad annunziare nel giugno 2006 di aver riprogrammato le cellule di un topo introducendo 4 geni nelle cellule. Dopo che gli esperimenti di clonazione della pecora Dolly, ottenuta sostituendo il nucleo di un ovulo e rimpiazzandolo con quello di una cellula adulta, avevano dimostrato che le cellule adulte erano capaci di rigenerarsi, Yamanaka dimostrava che, anche senza embrioni, si potevano ottenere cellule pluripotenti. La cosa era stata confermata da James Thomson dell’Università del Wisconsin nel novembre del 2007. Inoltre la tecnica delle iPS permetteva di generare linee di cellule dai tessuti di un paziente senza l’uso di oociti umani difficili da ottenere e senza distruggere un embrione. Le iPS sono più facili da differenziare in alcuni tipi di cellule come si fa per le ES umane, ad esempio cellule del cuore ed alcuni tipi di neuroni, ma per altre i risultati sono incerti. Il primo passo nella ricerca delle iPS è di confrontarle con le cellule ES. Queste sono diverse le une dalle altre ed è probabile che anche le iPS lo siano fra di loro e le si dovrà produrre in quantità da diversi individui e compararle. Gli scienziati sono inoltre dubbiosi se le iPS potranno sostituire le cellule ES nelle terapie del cuore e neurologiche perché le prime usano dei retrovirus per introdurre i geni di riprogrammazione e questi virus possono interferire con altri importanti geni e portare al cancro. Preferibile sarebbe l’opzione di introdurre nel nucleo delle molecole che attivino i geni per ridestare lo stato di pluripotenza ed alcuni gruppi stanno lavorando a questo. Altri sono più prudenti e diffidano dell’uso di iPS nelle terapie, anche senza l’uso di retrovirus, perché le cellule somatiche possono essere state alterate dall’età o da tossine e possono introdurre dei rischi imprevedibili rispetto alle staminali embrionali più pure. Gli scienziati affermano inoltre che produrre da un paziente una linea di cellule iPS a fini terapeutici è un sogno perché non c’è tempo nell’immediata esigenza di un attacco di cuore o di un danno spinale: sono necessario sei mesi. Un approccio possibile sarebbe di creare banchi di circa 100 linee con caratteristiche immunitarie diverse adatte alla maggior parte della popolazione e prodotte da embrioni donati, cellule iPS o mediante la tecnica di somatic cell nuclear transfer (SCNT) come per la pecora Dolly. Le iPS hanno quindi stimolato più che risolto la battaglia politica sulla ricerca delle cellule embrionali. A Capitol Hill si riaccende la battaglia della clonazione e nessuno può predire come e quando si concluderà.

Science, 23 May 2008, Vol. 320, pg. 1034 - Paul G. Falkowski - La Terra ha una storia di circa 4,5 miliardi di anni e per metà della sua storia evolutiva è stata dominata da processi metabolici prodotti dai microbi che hanno alterato la chimica di tutti gli elementi della superficie. Il risultato di questi processi evolutivi ha permesso alla vita di attecchire e persistere sul pianeta nonostante i cambiamenti ambientali spesso catastrofici come gli impatti di bolidi, le glaciazioni e le eruzioni vulcaniche. Anche dopo grandi estinzioni di piante ed animali la macchina biologica che sosteneva i cicli biogeochimici è rimasta intatta. Il grande problema della scienza è di decifrare come si è evoluto e come interagisce con la vita questo insieme di meccanismi microbici. Sulla Terra i processi fotochimici creano substrati di prodotti che si riciclano ed interagiscono fra di loro e si portano a un equilibrio termodinamico, le reazioni geochimiche abiotiche sono basate sulla chimica acidi/basi che trasferisce protoni, mentre quelle biotiche sono basate su reazioni di ossidoriduzione con trasferimento di elettroni. I sei maggiori elementi della Terra: H, C, N, O, S e P, costituiscono i blocchi principali per le macromolecole biologiche ed i flussi dei primi 5 elementi sono largamente catalizzati dai microbi in reazioni di ossidoriduzioni. Su scala di tempi geologici, la disponibilità di C, S e P è determinata dalla tettonica e dal vulcanismo. Le reazioni di ossidazione biologica sono guidate dalla fotosintesi. I flussi di elettroni e protoni si combinano con i maggiori sei elementi costituiscono la mappa metabolica della Terra. I geni che codificano i meccanismi di ossidoriduzione formano la base dei percorsi metabolici con trasferimento di energia. I complessi non si sono evoluti in tempi brevi. Ad esempio il metano si è formato per metanogenesi, cioè per riduzione di CO2 con H2, attraverso gli Archea. Le reazioni sono reversibili e possono avvenire in un senso in modo ossidativo con emissione di energia o in senso opposto in modo riduttivo con consumo di energia. La catalisi avviene con l’interazione di diverse specie di microbi. Il processo biologico che rende N accessibile per la sintesi delle proteine e degli acidi nucleici è un processo riduttivo che trasforma N2 in NH4 e questa catalisi è inibita dalla presenza di ossigeno. I cicli elementari sono stati studiati isolatamente per convenienza, ma si sono evoluti insieme influenzandosi. Non si sa quanto tempo è stato necessario per sviluppare i diversi cicli di reazione. Il progenitore comune della vita possedeva sicuramente i geni per produrre il complesso di adenosina trifosfato. La fotosintesi è in natura il processo più complesso di trasferimento di energia e vi sono coinvolti più di 100 geni per formare diversi complessi macromolecolari. Prove indirette indicano che queste reazioni si sono evolute 3 miliardi di anni fa mentre ancora l’atmosfera manteneva una bassa concentrazione di ossigeno e dopo per altri 0,5 miliardi di anni. I dettagli dei cicli sono ambigui e non si sa ancora in quale ordine si sono evoluti i diversi percorsi metabolici. Tutti questi eventi sono precedenti alle prime prove geologiche di vita. Riduzione dei solfati e metanogenesi sono avvenuti 3,5 miliardi di anni fa. Archea e Batteri sono responsabili dei maggiori percorsi metabolici. Attualmente non si conosce il numero di geni e delle famiglie di proteine esistenti. Si valutano a 1700 le famiglie di proteine e a 6 milioni il numero totale. All’inizio della storia della vita l’atmosfera e gli oceani erano anossici ed i primi microbi aerobici erano confinati nelle vicinanze dei cianobatteri. Nel Proterozoico (fra 750 e 570 milioni di anni fa) gran parte della superficie della Terra era coperta di ghiaccio e le estinzioni di massa del Fanerozoico (gli ultimi 545 milioni di anni) che hanno influenzato l’evoluzione di animali e piante debbono aver influenzato anche i meccanismi metabolici. La selezione di alcuni tipi di microbi ha portato allo sviluppo dei geni che hanno alla fine protetto questi meccanismi. Gli uomini non sono ancora capaci di riprodurre le singole reazioni di ossidoriduzione, tuttavia i fenomeni catalitici stanno diventando più trattabili ed è probabile che certe reazioni che rendono possibile la vita sulla Terra potranno essere descritte nei prossimi decenni. Comprendere l’evoluzione biogeochimica è critico per la sopravvivenza della specie umana che continua ad influenzare i flussi di materia ed energia su scala globale. La vita microbica potrà vivere senza di noi, noi non potremmo sopravvivere senza i suoi meccanismi di catalisi e le trasformazioni ambientali che produce.

Science, 8 Aug 2008, Vol. 321, pg. 784 - Robert F. Service - Nel 1961 Christian Anfinsen, un biochimico del National Institute of Health, studiando una proteina chiamata ribonuclease (RNase), formata come tutte le proteine da un lungo nastro di amminoacidi, osservò che il nastro si ripiegava in una particolare forma tridimensionale (3D) da cui dipendevano le sue proprietà chimiche. Anfinsen alzò la temperatura della proteina provocando la sua trasformazione in una lunga corda, ma raffreddandola essa tornava automaticamente nella sua primitiva forma 3D. Gli studi di Anfinsen gli fecero guadagnare nel 1972 il premio Nobel in Chimica e misero le fondamenta di una delle più grandi sfide della biologia. Molti esperti oggi, dopo 20 anni, ritengono che sia stato risolto il problema del ripiegamento delle proteine, cioè in che modo una proteina sceglie di ripiegarsi fra il numero astronomico dei modi possibili. Il problema ha enormi implicazioni nella medicina, proteine non correttamente ripiegate sono causa di numerose malattie, incluso l’Alzheimer ed la Creutzfeld-Jakob. Comprendere come le proteine si ripiegano potrebbe aiutare a capire perché in qualche caso si piegano male e suggerire modi per intervenire. Le domande che nascono dal problema del ripiegamento delle proteine sono di due tipi. a) quali sono le regole generali che governano il ripiegamento e con che velocità esso avviene; b) se si può predire la configurazione 3D che verrà adottata da una proteina. Queste semplici domande sono di estrema complessità. Poiché due amminoacidi vicini possono formare fra di loro 3 angoli diversi, una semplice proteina di 100 amminoacidi può ripiegarsi in 3^300 modi diversi. In realtà ciò non avviene per tentativi perché se ogni ripiegamento richiedesse un tempo finito tutta l’operazione avverrebbe in tempi più lunghi della vita dell’universo. Questo paradosso fu messo in evidenza da Cyrus Levinthal nel 1969 e per spiegare il processo si suggerì che avvenisse portandosi in uno stato di minima energia. Il successivo passo di predire come si ripiega un gruppo specifico di proteine è ancora più complesso ed i progressi sono arrivati con il tempo. Ogni 2 anni dal 1994 si è gareggiato nei modelli computerizzati per determinare la struttura 3D di sequenze di amminoacidi. Nel 2006 l’80% dei modelli ha funzionato, ma la maggior parte non raggiungeva l’accuratezza dell’analisi a raggi X di un cristallo. All’inizio i modelli partivano specificando le forze attrattive e repulsive che agivano in ogni punto fino a trovare la struttura con la minima energia di stato. Con i modelli omologhi si comparava la proteina sotto esame con altre simili la cui struttura era già nota. L’accuratezza dipende dalla risoluzione del modello, se si vuole la posizione di ogni singolo atomo o solo a livello di amminoacido. Per semplificare i calcoli, alcuni ricercatori aiutavano i loro modelli con i dati sperimentali, usando nuove tecniche come la risonanza magnetica nucleare (NMR). Insieme alla cristallografia a raggi X, la NMR è stata a lungo usata per mappare le proteine con dettaglio atomico. Una tecnica più lenta è quella detta Nuclear Overhauser Effect (NOE), i suoi dati, introdotti in un programma di predizione per 16 proteine chiamato ROSETTA, ha verificato risultati su scala atomica già ottenuti con la NMR e la cristallografia a raggi X ed ha risolto le strutture di 9 proteine non ancora trovate con gli altri due metodi. Nel novembre 2007, ricercatori negli USA, Olanda e Germania hanno predetto la struttura di 456 diverse proteine, integrando in un modello insiemi di dati tratti dalla biofisica e dalla proteomica con una risoluzione più bassa della cristallografia a raggi X, ma è il solo modo per trattare insiemi complessi di proteine. Più di recente sono stati impiegati sistemi di supercomputer distribuiti in diversi laboratori che caricano un software e prestano la loro central processing unit (CPU), lavorando quando sono liberi da altri impegni. Il sistema ha messo insieme 250000 partecipanti. Questo sistema ha aumentato la velocità di predizione di 100000 volte. Altre migliorie negli algoritmi hanno ulteriormente aumentato la velocità di 1000 volte. Più di recente le reti distribuite hanno cominciato ad usare processori grafici ultraveloci, noti come GPU, che hanno portato un vantaggio di un altro fattore fra 100 e 1000. Presi insieme tutti questi miglioramenti hanno permesso di seguire un miliardo di ripiegamenti di una proteina, uno ogni nanosecondo. Si può dire oggi che è stato risolto il problema del ripiegamento delle proteine? Non completamente. I progettisti di medicine hanno il problema di conoscere con alta risoluzione la posizione di atomi nelle parti attive di una proteina, per poter bloccare od esaltare la sua funzione. In complesso i progressi in questo campo sono stati una rivoluzione, ma molti scienziati non la hanno notata perché è avvenuta molto lentamente con il contributo di molte persone in un processo continuo. Questo però ha fatto la differenza fra gli scienziati, i medici ed i pazienti.

Science, 26 Sep 2008, Vol. 321, pg. 1758 - Robert F. Service - Dopo la fine del progetto del genoma umano, i laboratori di proteomica hanno iniziato il rilevamento di tutte le proteine che si trovano nelle diverse cellule e nei tessuti, ma alcuni dicono che, fino a questo momento, quanto generato dai gruppi della proteomica è solo spazzatura. Usando spettrometri di massa ed altre tecniche per identificare le proteine, si sono raccolti gigabyte di dati, ma ad oggi la maggior parte è stata ignorata e non vedendo risultati, la ricerca ha deluso. Il database di Bairoch, capo della Swiss-Prot, ha tuttavia raccolto terabyte di informazioni ed ha identificato e quantificato più di 6000 distinte proteine di cellule e tessuti, con l’aiuto dei migliori strumenti e di tecniche avanzate, e molti ricercatori di proteomica dicono che è tempo di affrontare l’Human Proteome Project (HPP) per rilevare le proteine espresse nei tessuti e cellule umane e la rete dei loro collegamenti. Questa conoscenza potrà rivelare come gli organismi convertono le informazioni genetiche nelle funzioni vitali e far progredire biologia e medicina. Si può cominciare a pensare di completare questo progetto in 8-10 anni. Si sono sentiti i rappresentanti delle agenzie interessate a finanziare il progetto che potrebbero ottenere centinaia di milioni, se non miliardi di dollari. Dopo il rilevamento del genoma umano nel 2001 si è avuta un’idea di quante proteine potevano esserci e tutti si interessarono alla proteomica. Le proteine sono però molto più eterogenee e complesse del DNA ed RNA. Risulta relativamente facile ai ricercatori creare una tecnologia standard per decodificare il genomi umani. Non c’è invece un solo sistema capace di fornire ai ricercatori tutto quello che vogliono conoscere sulle proteine. In aggiunta, benché ogni cellula contenga lo stesso numero di geni, la quantità di proteine diverse che esse contengono varia notevolmente. Mentre i geni sono il codice della vita, le proteine sono i mattoni con cui è prodotta. Identificare le proteine critiche in una malattia può servire per trovare una medicina da molti miliardi di dollari per combattere il diabete o le malattie del cuore. Le fluttuazioni nella quantità di alcune proteine possono servire come biomarker ed allertare i medici come indici del cancro o del morbo di Alzheimer. Un biomarker per ogni particolare malattia è però un sogno ed è particolarmente difficile trovare una proteina che sia un biomarker. Nel sangue e negli altri fluidi del corpo vi sono migliaia di proteine, il loro livello varia di 10 ordini di grandezza e le proteine più abbondanti mascherano quelle più rare. Molti possibili biomarker si trovano a livello di nanogrammi per millilitro. I candidati inoltre devono essere validati con prove cliniche che costano decine di milioni di dollari e molte falliscono. All’inizio del decennio le compagnie hanno cominciato a spendere centinaia di milioni di dollari in questo campo, ma presto fu chiaro che la tecnologia era immatura. Dopo diversi anni di tentativi infruttuosi le compagnie desistettero. Anche nelle accademie i progressi furono scarsi. La Human Proteome Organisation (HUPO) nel 2004 lanciò il Plasma Proteome Project (PPP) per l’analisi delle proteine del sangue e per trovare dei biomarker. Lo sforzo ha creato aspettative che non sono state mantenute. L’uso dello spettrometro di massa per identificare le proteine non ha dato risultati uniformi nei vari laboratori, non perché la tecnica era impropria, ma perché i programmi software spesso sbagliavano l’identificazione delle proteine. La procedura si basa nel dividere le proteine in frammenti detti peptidi e mandare questi frammenti allo spettrometro di massa ionizzandoli e misurando il loro peso atomico dal tempo di transito. I pesi erano poi comparati dal software con una lista teorica di quelli prodotti dai geni. Ripetendo le prove i risultati risultano diversi nel 33% dei casi. Per minimizzare l’errore si ripete ora la prova 10 volte. Il metodo viene applicato per trovare almeno una proteina per ognuno dei 20400 geni umani, ma ancora mancano le proteine per almeno la metà dei geni. In realtà ci sono più proteine che geni perché si possono formare da più geni e, una volta formate, si dividono e si modificano e trovare tutte queste varianti richiederà decenni. Un altro obiettivo è di creare un anticorpo per ogni proteina e, poiché l’anticorpo si collega solo alla sua proteina, si potranno determinare le funzioni di migliaia di proteine di cui si conosce poco. In Svezia è stato lanciato nel 2005 il progetto degli anticorpi ed il catalogo contiene ora 6000 anticorpi di singole proteine umane, più di un quarto del totale, e si pensa di completare il progetto entro il 2014. Un altro progetto ha lo scopo di individuare le proteine che interagiscono fra di loro. Per trovare i partner i ricercatori creano migliaia di cellule identiche ed in ciascuna inseriscono un contrassegno chimico legato ad una diversa proteina. Ad un certo momento usano il contrassegno per portare la proteina fuori dalla cellula insieme a proteine e parti di DNA e RNA che si agganciano ad essa. In questo modo si ottiene la rete di comunicazione ed interazione fra le proteine e quindi la mappa di interazione del proteoma. Il costo di tutti questi progetti è stimato generalmente ad un miliardo di dollari. Le agenzie di finanziamento stanno già spendendo centinaia di milioni di dollari nelle tecnologie e nei centri di proteomica e le attività si muovono con rapidità. Si ricorda che il Progetto del Gemona Umano ha impiegato 5 anni per raccogliere abbastanza denaro. La HUPO promuove un progetto pilota per un catalogo delle proteine del cromosoma 21, il più piccolo dell’uomo che ha solo 195 geni. L’università di Sul, Corea del Sud, finanzia un progetto simile per il cromosoma 13, il secondo più piccolo, che ha 319 geni. Procedere per cromosomi è poco significativo perché non ci sono fluidi o tessuti del corpo organizzati per cromosomi. La comunità dei biologi deve stabilire che cosa vuole realmente perché si proceda speditamente. Uno studio mostra che in un solo tessuto vi sono meno dell’1% di tutte le proteine e ciò significa che nei tessuti si esprimono solo particolari proteine nello spazio e nel tempo. Si stanno facendo ora incredibili progressi ed il progetto del proteoma umano avanza, ma non si sa con quale strategia.

Science, 9 Jan 2009, Vol. 323, pg. 198 - Carl Zimmer - Nel suo libro “Sulle Origini delle Specie”, Charles Darwin ha trattato ogni argomento della natura, ma ha dedicato poche parole ad una delle più grandi domande della biologia: come comincia la vita. Verso la fine del libro compare la seguente frase: “Probabilmente tutti gli organismi viventi che sono mai vissuti sulla terra sono discesi da alcune forme primordiali nelle quali la vita ha avuto origine”. Darwin credeva che probabilmente la vita era emersa spontaneamente dagli elementi chimici di cui oggi è composta, come il carbonio, l’azoto ed il fosforo. Egli non credeva che fosse possibile ricreare oggi la vita perché quella che esiste avrebbe impedito la sua nascita. Nel 1871 egli descrisse il problema al suo amico, il botanico Joseph Hooker: “Se (ed è un grande se) noi potessimo concepire un piccolo caldo stagno con ogni sorta di principi come ammoniaca, sali fosforici, luce, calore, elettricità etc. in modo che si formassero delle proteine ed altri composti più complessi, nella presente situazione questi composti sarebbero divorati ed assorbiti, cosa che non sarebbe successa prima che si formassero gli esseri viventi”. Gli scienziati che oggi studiano l’origine della vita non condividono il pessimismo di Darwin circa la nostra capacità di ricostruire i momenti iniziali. Oggi è il momento giusto per fare queste ricerche perché le prospettive di successo sono più grandi e si conoscono i passi per la transizione alla vita: da dove vengono i materiali primitivi, come si sono formate le complesse molecole organiche come RNA e come si sono formate le prime cellule. Con questo si imbocca la strada per produrre la vita da un abbozzo. Una volta si pensava che una ricerca sulle origini della vita fosse una cosa che i vecchi scienziati affrontano alla fine della loro carriera, oggi pensare ad una cellula artificiale non sembra più science fiction, ma un obiettivo ragionevole. La vita, o almeno la vita che noi conosciamo, sembra che sia iniziata sulla Terra solo una volta. Quasi tutti gli organismi usano il DNA a doppia elica per codificare le informazioni genetiche. Essi copiano i geni in RNA e traducono RNA nelle proteine. Tutti gli esseri viventi hanno ereditato questo da un comune antenato, microbi con DNA che sono vissuti più di 3,5 miliardi di anni fa. Il comune antenato era già molto complesso e molti scienziati si domandano come si era evoluto da uno più semplice. Qualcuno pensa che cellule con dentro RNA abbiano preceduto DNA e proteine. Successivamente la vita basata su RNA si è evoluta per assiemare amminoacidi e proteine. L’evoluzione da RNA a DNA è poi un salto più semplice. In un classico esperimento del 1953, Stanley Miller, allora all’università di Chicago, fece scoccare una scarica elettrica in una camera riempita di ammoniaca, metano ed altri gas. La scarica creò una ricca miscela di amminoacidi e, basandosi su questo risultato, Miller suggerì che i fulmini nella Terra primitiva avevano creato molti composti che più tardi si sarebbero assiemati negli esseri viventi. Entro il decennio 1990, le prove accumulate indicavano che la Terra primitiva era dominata dall’anidride carbonica con poco azoto, due gas che non si trovavano nel recipiente di Miller ed in queste condizioni non si producevano amminoacidi in quantità apprezzabile. Nel 2008 le scariche elettriche sono tornate in prima linea. James Cleves della Carnegie Institution di Washington D.C. sospettò che l’insuccesso fosse dovuto al fatto che si producevano composti di azoto che distruggevano gli amminoacidi ed aggiungendo altre sostanze chimiche che assorbivano quei composti si tornavano a produrre gli amminoacidi in quantità. Cleves pensa che le scariche elettriche sono solo uno dei molti modi con cui i composti organici si formano sulla Terra. I meteoriti che cadono contengono amminoacidi e molecole organiche del carbone come la formaldeide. Le emissioni idrotermali producono composti che possono essere stati incorporati nelle prime forme di vita. Il problema è come i composti organici si sono assiemati per produrre un sistema vivente. Il primo passo è produrre RNA. La molecola RNA è una catena di nucleotidi ciascuno dei quali consiste di due parti: una base ed una molecola di zuccheri ed un contorno di atomi di fosforo e di ossigeno che legano una molecola di zucchero alla successiva. Per anni i ricercatori hanno tentato invano di sintetizzare RNA. L’insuccesso ha indotto gli scienziati a considerare altre ipotesi sulla generazione di RNA. Cleves ed altri credono che la vita a base di RNA si sia evoluta da organismi che usavano materiali genetici poi spariti ed ora si cerca se tali molecole artificiali, detti PNA e TNA, possono essere emersi spontaneamente. Per questa ipotesi, RNA si è evoluto in seguito ed ha sostituito le molecole originarie. Altri hanno cercato di costruire RNA da composti organici semplici come la formaldeide che esisteva prima che la vita cominciasse, combinando i componenti degli zuccheri e delle basi, invece di costruirli separatamente. Negli ultimi anni è stato documentato l’intero percorso, da molecole prebiotiche a RNA, dimostrando come era difficile produrre RNA direttamente. John Sutherland, un chimico dell’università di Manchester, UK, dice che non è sicuro che queste reazioni si siano verificate, ma nota che l’ambiente, in termini di temperatura e pH, è quello che si trova negli stagni. Il secondo passo è la formazione della cellula. Se la vita è partita con il solo RNA, esso avrebbe fatto copie di se stesso senza l’ausilio delle proteine. Tracey Lincoln e Gerald Joyce dell’Istituto di Ricerche di S. Diego, California, hanno mostrato che ciò è possibile. Essi hanno prodotto una coppia di molecole RNA che si uniscono ed assemblano altri nucleotidi per replicarsi formando nuovo RNA. La replicazione di RNA è potuta avvenire nelle prime cellule. Jack Szostak ed i suoi colleghi della Harvard Medical School di Boston, hanno indagato su come gli acidi grassi ed altre molecole hanno potuto inglobare RNA producendo le prime protocellule. Dopo due decenni, il team è stato capace di mescolare RNA ed acidi grassi in modo che RNA sia inglobato in vescicole. Tutte le cellule viventi dipendono da complessi canali che trasferiscono nucleotidi attraverso le loro membrane e nasce la domanda di come una membrana si sia formata in queste molecole. Gli esperimenti hanno dimostrato che queste vescicole sopravvivono fino oltre i 100 °C di temperatura. Ad alta temperatura le protocellule assumono rapidamente i nucleotidi, mentre a bassa temperatura costruiscono le molecole di RNA più rapidamente. Si pensa che cicli regolari di temperatura abbiano aiutato la sopravvivenza sulla Terra delle semplici protocellule. Szostak continua gli esperimenti per portare le protocellule prossime alla vita. La prova decisiva degli esperimenti è se le protocellule, non solo crescono e si riproducono, ma anche si evolvono. Per Szostak l’origine della vita e l’evoluzione darwiniana sono la stessa cosa.

Science, 23 Jan 2009, Vol. 323, pg. 471 - Frances Westall - Gli organismi viventi del pianeta anaerobico che era la Terra 3,5 miliardi di anni fa erano piccoli e le tracce che hanno lasciato nelle rocce quasi impercettibili. Le tracce (incluse i resti di cellule, colonie di cellule e grovigli di microbi, resti degradati di molecole organiche che una volta formavano dei microrganismi, e isotopi di carbonio e zolfo) sono molto simili a quelli prodotti dalle moderne cellule procariote. Tuttavia a causa del tempo trascorso su queste tracce si accendono aspri dibattiti su un’interpretazione abiotica. Il problema non è banale perché esperimenti dimostrano che certe morfologie di microrganismi sono imitati in laboratorio da minerali abiotici o polimeri organici. Molecole carbonacee formate in emissioni idrotermali possono precipitare in strutture che assomigliano a resti di microrganismi. I più antichi resti di vita, le stromatoliti, sono i più riconoscibili e rappresentano i resti calcificati di depositi di microbi fotosintetici, costruzioni tridimensionali tipicamente verticali che raggiungono proporzioni macroscopiche. Forme e strutture si modificano con i cambiamenti ambientali come documentano i depositi di Pilbara nell’Australia nordoccidentale. Alcuni hanno ipotizzato una loro origine abiotica, ma è improbabile che strutture così regolari si siano potute produrre così. I moderni depositi microbici sono dominati dai cianobatteri fotosintetici e sono stati trovati nei sedimenti di Pilbara. I rapporti isotopici del carbonio di sedimenti di 3,8-3,3 miliardi di anni in Groenlandia, Sud Africa ed Australia, considerati derivati da microrganismi fotosintetici, sono stati rimessi in discussione. Le molecole di carbone organico prodotte da microrganismi lasciano tipici prodotti di degradazione nelle rocce e sulla base di queste molecole sono state rilevate le prove per l’attività di fotosintesi delle rocce di Pilbara di 2,7 miliardi di anni fa. Sedimenti laminati di 3,3 miliardi di anni fa in Sud Africa con depositi di vita microbica in filamenti dal diametro di 0,25 micrometri e lunghezze di diverse decine di micrometri e strati laminati caratterizzati da colonie di microbi fra granuli vulcanici sono caratteristici della vita anaerobica di questi periodi. Nell’ultimo quinquennio si sono trovati metodi rivoluzionari per l’identificazione di tracce biologiche che aprono la via a scoprire le forme di vita nell’ambiente anerobico.

Science, 6 Mar 2009, Vol. 323, pg. 1286 - Mitch Leslie - Non si può pensare al mondo vivente senza la fotosintesi. Bisognerebbe togliere le foglie, ma anche le umili alghe e i batteri che catturano la luce e nutriscono molti ecosistemi. Togliere anche tutto ciò che direttamente o indirettamente dipende dalla fotosintesi, persino i coralli che hanno la loro principale sorgente di cibo nelle alghe. La fotosintesi ha reso la Terra adatta alla vita. I primi organismi di fotosintesi hanno pompato ossigeno nell’atmosfera dando il via all’evoluzione della vita multicellulare che include noi stessi. Gli abitatori del mare sono stati capaci di colonizzare la superficie della terra perché l’ossigeno ha creato lo strato di ozono che ha schermato le radiazioni ultraviolette del Sole. La fotosintesi che ha prodotto l’ossigeno è stata l’ultima delle grandi invenzioni del metabolismo dei microbi ed ha cambiato per sempre l’ambiente del nostro pianeta. La fotosintesi è fra le prime dieci pietre miliari dell’evoluzione ed i ricercatori stanno cercando di comprendere come e quando i primi organismi hanno cominciato ad utilizzare l’energia luminosa. I primi batteri alimentati dalla luce solare si sono serviti di composti diversi, forse l’idrogeno solforato. Con il tempo la macchina della fotosintesi è diventata più sofisticata portandoci infine al mondo ben ossigenato che ci circonda. Questa transizione è avvenuta 2,4 miliardi di anni fa o prima. Indagare così lontano nel passato è difficile. I lunghi tempi dell’evoluzione hanno confuso i resti molecolari degli organismi viventi dei primi eventi. Da più di 200 anni i ricercatori hanno indagato sui meccanismi molecolari con cui gli organismi trasformano l’anidride carbonica e l’acqua in prodotti alimentari. Il pigmento della clorofilla ed altre 100 proteine collaborano nell’utilizzo della luce. Piante, organismi unicellulari e cianobatteri hanno prodotto il Fotosistema I e II, due cluster di proteine che dalla luce producono le molecole ATP e NADPH alla base della sintesi degli zuccheri da cui gli organismi dipendono per crescere e moltiplicarsi. Il Fotosistema II è l’ossidante naturale più energico e produce ossigeno come prodotto di scarto. Alcuni batteri non usano l’acqua come sorgente di elettroni ma idrogeno solforato o altre alternative. Questi batteri vivono in ambienti come le sorgenti calde e non producono ossigeno, le loro proteine usano reazioni più semplici e possono essere stati i precursori dei due Fotosistemi. Le somiglianze fra le proteine della fotosintesi e quelle dei batteri non fotosintetici suggeriscono che i primi microbi hanno avuto in comune alcuni geni di fotosintesi. Gli studi del 2002 su più di 60 batteri fotosintetici e non fotosintetici hanno mostrato che dai loro geni è stata sintetizzata la versione batterica della clorofilla. I moderni batteri non ossigenici hanno precursori nei Fotosistemi I o II, mai in ambedue. Alcuni ricercatori sono però scettici perché i due fotosistemi si sono evoluti l’uno dall’altro. La fotosintesi ossigenica è stata un grande progresso perché agisce sull’acqua che è dovunque. Molti ricercatori accettano che la fotosintesi non ossigenica è cominciata subito dopo l’origine della vita, più di 3,8 miliardi di anni fa, ma si discute quando gli organismi hanno iniziato quella ossigenica. I fossili che testimonino il grande evento di ossidazione (GOE) sono rocce di 2,4 miliardi di anni fa dove i geologi trovano segni non discutibili di un livello di ossigeno nell’atmosfera e questi segni includono i letti rossi, strati di ferro ossidato cioè di ruggine. Prova della GOE è la mancanza di isotopi dello zolfo, presenti quando manca l’ossigeno. La fotosintesi ossigenica potrebbe essere iniziata poco prima della GOE, ma altri scienziati non sono d’accordo e potrebbe essere avvenuta 600 milioni di anni prima o più. Una prova sono i biomarker dei cianobatteri che si trovano 2,7 miliardi di anni fa e nell’Australia occidentale si trovano spessi depositi di scisti di 3,2 miliardi di anni prodotti dai cianobatteri e senza tracce di zolfo. I geologi hanno cercato tracce di RuBisCO, un composto base di un enzima di fotosintesi che produce gli zuccheri dall’anidride carbonica. Questo enzima preferisce l’isotopo 12 del carbonio invece del più pesante isotopo 13 e questo si trova esaminando la materia organica di tre siti nello Zimbabwe e Canada datati 2,7-2,9 miliardi di anni fa. Si conclude che la fotosintesi che ha prodotto l’ossigeno è cominciata almeno 2,9 miliardi di anni fa.

Science, 12 Mar 2010, Vol. 327, pg. 1318 – Elizabeth Pennisi – Data la vastità degli oceani e i tempi di evoluzione ci si aspetta che il numero delle specie marine superino di molto quelle terrestri, invece, solo i microbi di 9-10 specie affollano il 30% della superficie terrestre. Alcuni ricercatori dell’università di California (UC), che hanno studiato l’evoluzione degli oceani e della terra, dicono che non è stato sempre così. Nel periodo Devoniano, 400 milioni di anni fa, gli oceani abbondavano di specie più della terra. Circa 110 milioni di anni fa, la Terra ebbe un’esplosione di specie con la pollinazione, i funghi e gli erbivori associati a essi. Le piante si diffusero con i pollini e i semi e presto superarono la biodiversità marina. Il vantaggio evolutivo fu dovuto al modo più efficiente con cui le piante terrestri usavano l’acqua. Tuttavia la domanda più interessante è perché nel mare vi sono così poche specie rispetto alla terra. In uno studio si è concluso che l’85% delle specie macroscopiche vive sulla terra e gli animali terrestri sono più comuni e sono per il 95-98% specie multicellulari. La disparità terra-mare è anche nelle regioni calde. Un solo ettaro di foresta tropicale contiene 475 specie di alberi e 25000 specie di insetti. Un ettaro di barriera corallina, che è l’equivalente della foresta pluviale nel mare, ha al più 300 coralli, 600 pesci e 300 specie di alghe. Nel 1990, Richard Strathmann, un biologo marino dell’Università di Washington, Seattle, osservò che le caratteristiche dell’acqua rallentano la diffusione delle specie nel mare. L’acqua è più densa e viscosa dell’aria e la diffusione è più lenta anche per i gas. Nell’aria gli organismi possono scoprire il cibo, i compagni e i nemici a maggiore distanza e questo rende l’ambiente terrestre più ospitale e favorevole all’evoluzione delle specie. Queste differenze fisiche non spiegano tutto perché gli ecosistemi polari, per esempio hanno meno diversità di quelli marini. I due regni, marino e terrestre, erano quasi uguali 110 milioni di anni fa. Da questo momento sulla terra sono apparse le piante con i fiori e gli insetti che le impollinavano, le specie sono diventate più specializzate, parassiti e funghi si sono associati alle piante rendendo l’habitat più complesso. Le piante stazionarie hanno trovato animali che trasferivano il polline e spargevano i semi. Oggi vi sono 200000 specie di impollinatori. Le specie terrestri sono più disperse, mentre gli organismi marini vivono in comunità ad alta densità e questo aumenta il rischio di essere predati o subire malattie contagiose. Manca tuttavia una spiegazione perché lo scarto in diversità fra terra e mare ha continuato ad allargarsi. Le piante con i fiori e le foglie si sono differenziate sempre più, le nervature delle foglie hanno aumentato la capacità fotosintetica e aumentato la produzione di biomassa incoraggiando la specializzazione, specie nei tropici. Ognuno di questi passi ha dato il suo contributo all’aumento di diversità.

Science, 2 July 2010, Vol. 329, pg. 44 – James P. Di Santo – Il sistema emopoietico dell’uomo che produce tutti i tipi di cellule sanguigne, genera i linfociti (le cellule T e B e le cellule killer naturali). Le cellule T derivano da quelle emopoietiche progenitrici che migrano, nel primo stadio DN1, dal midollo osseo al timo dove proliferano come timociti. Segnali specifici dei tessuti definiscono il loro sviluppo futuro dallo stadio DN2. Il fattore di trascrizione Bel11b è essenziale per specificare il ricettore T (con i polipeptidi alfa e beta) per la maggioranza delle cellule T generate nel timo. Peng Li, del Sanger Institute di Cambridge., UK, ha analizzato il ruolo del Bcl11b nello sviluppo delle cellule T per l’immunità adattiva. I linfociti Natural Killer (NK) costituiscono la componente essenziale del sistema immunitario innato, nella sorveglianza dei tumori, nella riproduzione e nella difesa contro i microbi e i virus. Quando il fattore di trascrizione Bcl11b è reso inattivo, le cellule T, in qualsiasi stadio, acquisiscono le proprietà delle cellule NK e costituiscono le cellule Induced T-to-natural killer (ITNK), simili alle convenzionali cellule NK che uccidono le cellule tumorali in vitro e prevengono le metastasi negli esseri viventi. Nello stadio DN2 le cellule risentono della presenza delle citochine promotrici della crescita (l’interleuchina-7: IL-7) e possono differenziarsi ancora. Altre cellule DN2, senza più l’effetto della IL-7, risentono dell’espressione del fattore Bcl11b e passano allo stadio DN3 che è quello finale delle cellule T.