La fabbrica di proteine delle cellule in un ‘film’

Ricercatori finanziati dall’UE hanno realizzato un video che mostra le fabbriche di proteine delle cellule, i ribosomi, in azione. Questo lavoro permette una visione mai ottenuta prima delle attività di queste parti essenziali della cellula e potrebbe contribuire allo sviluppo di nuovi farmaci.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature, ha ricevuto una sovvenzione dell’UE attraverso il porgetto 3D-REPERTOIRE (“A multidisciplinary approach to determine the structures of protein complexes in a model organism”), che è stato finanziato nell’ambito dell’Area tematica Scienze della vita, genomica e biotecnologia per la salute del Sesto programma quadro (6° PQ).

Se il DNA è il modello della vita, i ribosomi sono le fabbriche dove questo modello viene trasformato nelle proteine che formano i muscoli, trasformano le sostanze intorno e tra le cellule, mandano e ricevono segnali, provocano reazioni chimiche e tante altre cose ancora.

L’intero processo comincia con il DNA. Il tratto di DNA che contiene il codice genetico per una certa proteina viene copiato in un singolo filamento di acido ribonucleico messaggero (mRNA). L’mRNA si attacca a un ribosoma, che si muove sopra la molecola di mRNA. Ogni blocco di tre lettere nell’mRNA rappresenta il codice genetico per uno specifico aminoacido. Le molecole di un tipo diverso di RNA, chiamato RNA di trasferimento (tRNA), “leggono” questo codice genetico e portano l’aminoacido giusto al ribosoma. Gli aminoacidi sono i mattoni che formano le proteine; man mano che il ribosoma si muove lungo l’mRNA, si crea una catena di aminoacidi e la proteina comincia a prendere forma.

I ribosomi sono piccolissimi – con una lunghezza di 25 nanometri, hanno circa le stesse dimensioni dei virus più piccoli. Studiare la loro struttura è pertanto tutt’altro che facile e il team che finalmente è riuscito a chiarire la loro forma ha vinto il Premio Nobel per la Chimica nel 2009. Gli studi precedenti hanno inoltre spiegato come i ribosomi legano gli aminoacidi per formare una catena e come il tRNA legge le informazioni codificate nell’mRNA.

I ribosomi comunque sono essenzialmente macchine con parti mobili e, fino ad ora, le uniche immagini di ribosomi disponibili erano fisse. Di conseguenza, molti aspetti del modo in cui funzionano i ribosomi rimanevano un mistero.

In questo studio, alcuni scienziati dell’Istituto Max Planck di chimica biofisica in Germania e dell’Istituto di fisica nucleare di Pietroburgo in Russia hanno trovato un modo di “filmare” i ribosomi in azione.

“Il trucco è che prima abbiamo fatto in modo che i ribosomi lavorassero in una soluzione,” ha spiegato Holger Stark, capo del Gruppo di elettro-criomicroscopia 3D (tridimensionale) dell’Istituto Max Planck di chimica biofisica. Quindi sono stati prelevati campioni della soluzione in momenti diversi e sono stati congelati rapidamente. Questo metodo ha in effetti fermato il meccanismo molecolare in fasi diverse del processo.

“A partire da questi campioni, il microscopio elettronico ha fornito una serie di immagini di ribosomi durante fasi diverse della produzione di proteine, nelle quali i ribosomi differiscono nella loro struttura tridimensionale,” ha detto il professor Stark.

In totale, il team ha ricavato oltre due milioni di immagini di ribosomi a lavoro. È stato usato un programma per computer per classificare le immagini; il gruppo di foto risultante corrisponde a fasi diverse della produzione di proteine. In seguito il computer ha calcolato la struttura 3D di questi gruppi. Infine, le immagini sono state messe in ordine per creare un video che mostrasse come l’mRNA viene passato attraverso il ribosoma come un nastro trasportatore e come il tRNA consegni il carico di aminoacidi al ribosoma prima di essere rilasciato.

“Possiamo seguire il percorso del tRNA attraverso il ribosoma passo per passo e osservare come i movimenti del tRNA siano abbinati ai dinamici cambiamenti del ribosoma,” ha commentato Niels Fischer, che lavora nel laboratorio del professor Stark.

Marina Rodnina del Dipartimento di biochimica fisica dell’Istituto Max Planck di chimica biofisica ha aggiunto: “Un analisi di questo abbinamento mostra che le nanomacchine come il ribosoma lavorano in modo diverso rispetto a macchine abbinate meccanicamente nella vita di tutti i giorni. I movimenti spontanei del ribosoma e le molecole del tRNA sono abbinati in modo relativamente debole.”

Inoltre il team ha scoperto che i ribosomi lavorano ottimamente alla temperatura corporea, circa 37 °C, usando il calore del nostro corpo per alimentare le loro attività.

“Il ribosoma può convertire l’energia termica direttamente in movimento,” ha detto il professor Stark. “L’energia termica disponibile in condizioni fisiologiche è pienamente sufficiente perché i ribosomi effettuino tutti i movimenti necessari per la produzione delle proteine.”

Questo lavoro potrebbe anche contribuire allo sviluppo di nuovi farmaci. I ribosomi umani sono diversi dai ribosomi batterici e alcuni antibiotici sono efficaci perché bloccano la produzione di proteine nei ribosomi batterici ma non danneggiano i ribosomi umani. Una maggiore conoscenza della struttura e del funzionamento dei ribosomi è quindi fondamentale per sviluppare nuovi antibiotici.

Per maggiori informazioni, visitare:

Istituto Max Planck di chimica biofisica:
http://www.mpibpc.mpg.de/english/start/index.php

È disponibile un video su un ribosoma in azione su:
http://www.mpg.de/video/mpibpc/ribo.swf

Nature:
http://www.nature.com/nature

Progetto 3D REPERTOIRE:
http://www.3drepertoire.org/