Quando la ricerca incontra le persone: una nuova possibile terapia per la distrofia muscolare di Duchenne
Dallo studio quasi decennale sulla storia clinica di un giovane paziente asintomatico, la scoperta di un meccanismo genetico ereditato dalla madre in grado di riattivare la produzione di distrofina e migliorare le condizioni dei pazienti. Il lavoro, coordinato dalla Sapienza con l’Istituto italiano di tecnologia (IIT) e il Centre for Genomic Regulation (CRG) di Barcellona, e sostenuto da ERC Advanced Grants, Fondazione Telethon e Parent Project, è stato pubblicato sulla rivista EMBO Molecular Medicine
Quando la ricerca incontra le persone, può portare a cambiamenti importanti. È il caso di un paziente affetto da una forma di distrofia muscolare di Duchenne inspiegabilmente lieve che, proprio per la sua condizione anomala, è stato seguito per anni da Irene Bozzoni e dal suo team del Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza e dell’IIT, che lo aveva incontrato nel corso di una maratona Telethon nel 2011.
Quella di Gerardo non è solo la storia clinica di una malattia che colpisce 1 maschio su 3500 nati (le femmine generalmente sono portatrici asintomatiche) e che causa una progressiva degenerazione dei vari tessuti muscolari, ma è l’esperienza di un ragazzo che a 14 anni era ancora in grado di camminare e muoversi autonomamente e che ancora oggi a 23 anni, pur preferendo la carrozzina per i suoi spostamenti, riesce con qualche aiuto a stare in piedi e a muovere alcuni passi, e soprattutto non manifesta sintomi respiratori o cardiaci.
Dall’incontro, avvenuto quasi 10 anni fa, da una parte è nata una linea di ricerca volta a scoprire nuovi dettagli sui meccanismi alla base della formazione dei muscoli (miogenesi), dall’altra si è riaccesa la speranza di chiarire alcune incognite legate alla particolare evoluzione della malattia nel giovane.
In un primo studio del 2016, Irene Bozzoni e il suo gruppo di ricerca hanno osservato come le cellule del ragazzo mettessero spontaneamente in atto un particolare meccanismo molecolare che bypassa l’errore genetico che causa l’assenza della distrofina, ripristinandone la produzione in quantità sufficienti a migliorare le condizioni fisiche. In particolare, è stato visto che questo meccanismo, basato sul principio dell’exon skipping, è favorito dall’assenza di una proteina, chiamata Celf2a.
Oggi, in un nuovo studio realizzato in collaborazione tra la Sapienza, l’Istituto italiano di tecnologia (IIT) e il Centre for Genomic Regulation (CRG) di Barcellona, i ricercatori coordinati da Irene Bozzoni hanno proseguito nella caratterizzazione degli aspetti molecolari di questo interessante fenomeno e scoperto che il meccanismo genetico in grado di riattivare la produzione di distrofina è ereditato dalla madre.
Nel lavoro, pubblicato sulla rivista EMBO Molecular Medicine e sostenuto da Fondazione Telethon, dall’Associazione Parent Project e da un grant dell’European Research Council (ERC), è stato anche dimostrato che “spegnendo” il gene Celf2a nelle cellule di altri pazienti affetti dalla distrofia muscolare di Duchenne, viene recuperata la produzione di distrofina a livelli che potrebbero essere curativi.
“Abbiamo visto che anche nella madre del ragazzo il gene che produce la proteina era inattivato – spiega Irene Bozzoni – e questo ci ha permesso di capire che la mancata espressione di Celf2a non è dovuta a mutazioni del suo gene, ma a un silenziamento epigenetico trans-generazionale che opera attraverso uno specifico RNA non codificante. Il vero traguardo sarebbe quello di riprodurre questa specifica condizione molecolare in altri pazienti, aprendo nuove importanti prospettive di cura”.
I prossimi studi del team infatti indagheranno Celf2a come target terapeutico e saranno mirati allo sviluppo di potenziali molecole capaci di inibire tale fattore quando è presente. Queste molecole potrebbero diventare una cura, che a oggi non esiste, per altri pazienti con lo stesso tipo di mutazione.
Riferimenti:
Trans-generational epigenetic regulation associated with the amelioration of Duchenne Muscular Dystrophy – J. Martone, M. Lisi, F. Castagnetti, A. Rosa, V. Di Carlo, E. Blanco, A. Setti, D. Mariani, A. Colantoni, T. Santini, L. Perone, L. Di Croce & I. Bozzoni – EMBO Molecular Medicine (2020) DOI https://doi.org/10.15252/emmm.202012063
Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma.
Ipermemoria: un ricordo per ogni giorno. Nel cervello di “chi non dimentica” svelato il meccanismo che ordina la memoria
Un nuovo studio italiano, pubblicato sulla rivista Cortex, rivela l’esistenza di un’area cerebrale che permette alle persone dotate di ipermemoria autobiografica di “datare” i ricordi
Un nuovo studio interamente italiano e pubblicato sulla rivista Cortex ha rilevato cosa rende il cervello degli individui “ipermemori” capace di ricordare anche i più piccoli dettagli di ogni giorno della loro vita. Grazie all’analisi di questi individui sono state identificate le aree del cervello specificamente deputate a dare una dimensione temporale ai ricordi, organizzando quelle informazioni che nelle persone comuni restano memorie indistinte e sfocate.
La ricerca, condotta presso i laboratori della Fondazione Santa Lucia IRCCS di Roma, è stata coordinata dall’equipe composta dai ricercatori Patrizia Campolongo, Valerio Santangelo, Tiziana Pedale e Simone Macrì, e ha coinvolto la Sapienza Università di Roma, l’Istituto Superiore di Sanità e l’Università di Perugia.
Per realizzare lo studio è stato chiesto a 8 soggetti ipermemori, già protagonisti nel 2018 di un altro lavoro della stessa equipe di ricerca, di ricordare un evento molto lontano nel tempo, di circa 20 anni prima. L’attività neuronale di questi 8 soggetti è stata quindi rilevata in tempo reale attraverso la risonanza magnetica funzionale, una tecnica non invasiva che permette ai ricercatori di osservare il cervello in azione e identificarne le aree più attive durante il ricordo dell’evento passato. Al gruppo di ipermemori è stato affiancato un gruppo di controllo composto da 21 persone senza particolari abilità o deficit della memoria.
I ricercatori hanno poi utilizzato una tecnica molto innovativa, chiamata Multivoxel Pattern Analysis (MVPA) per verificare che la migliore rappresentazione neurale dei ricordi nelle persone ipermemori fosse associata al ruolo funzionale di specifiche aree del cervello.
“I risultati dell’indagine – spiegano gli autori – hanno mostrato che nel discriminare tra ricordi autobiografici vecchi e nuovi, per le persone con ipermemoria si rileva un’elevata specializzazione della porzione ventro-mediale della corteccia prefrontale del cervello, un’area che si ritiene sia deputata all’organizzazione delle funzioni cognitive superiori. Questa stessa regione del cervello sembra essere meno precisa nelle persone con una memoria normale, fino a farci “confondere” la dimensione temporale del ricordo, vecchio o nuovo”.
“La memoria autobiografica permette di rievocare esperienze relative a tutto l’arco della vita consentendoci di conferire una dimensione temporale e narrativa alla nostra esistenza – continuano gli autori – e qui per la prima volta al mondo sono stati studiati i meccanismi neurobiologici associati alla dimensione temporale dei ricordi tramite una metodologia innovativa e, soprattutto, in un gruppo di persone ‘speciali’”.
Il dato che emerge da questo nuovo avanzamento scientifico è cruciale, non solo per l’analisi delle doti speciali di queste persone, ma soprattutto per aprire nuove frontiere di ricerca per la neuroriabilitazione della memoria e per la ricerca sulle funzioni mnesiche, in pazienti con una lesione del sistema nervoso centrale.
“Comprendere i sistemi neurobiologici alla base dell’iper-funzionamento della memoria – concludono i ricercatori – fornisce importanti indicazioni su quali aree è necessario intervenire per stimolare il ripristino di un funzionamento adeguato della memoria in persone con deficit o lesioni neurologiche”.
Riferimenti:
Enhanced cortical specialization to distinguish older and newer memories in highly superior autobiographical memory – Valerio Santangelo, Tiziana Pedale, Simone Macrì, Patrizia Campolongo. – Cortex 2020 https://doi.org/10.1016/j.cortex.2020.04.029
Il testo viene congiuntamente da: Ufficio Stampa Sapienza Università di Roma, Ufficio Stampa Fondazione Santa Lucia IRCCS, Ufficio stampa Istituto Superiore di Sanità, Ufficio Comunicazione Istituzionale, Social media e Grafica Università degli Studi di Perugia
Una nuova luce sulla strada della ricerca della materia ultraleggera dell’Universo arriva dai buchi neri. È quanto suggerisce lo studio del Dipartimento di Fisica della Sapienza pubblicato sulla rivista Physical Review Letters
Il buco nero supermassiccio nel nucleo della galassia ellittica Messier 87 nella costellazione della Vergine. Si tratta della prima foto diretta di un buco nero, realizzata dal progetto internazionale Event Horizon Telescope. Foto modificataEvent Horizon Telescope, CC BY 4.0
Le osservazioni sulla cosiddetta materia oscura del nostro Universo sono sempre più numerose e significative, ma sono ancora tante le incognite in questo affascinante campo della fisica moderna.
La particella elementare massiccia più leggera conosciuta in natura è il neutrino, con una massa qualche milione di volte più piccola di quella di un elettrone. Alcuni modelli di materia oscura hanno però suggerito l’esistenza di particelle elementari anche molto più leggere, le cui masse che possono essere miliardi di volte più piccole di quella di un neutrino.
Rilevare queste sfuggenti particelle è impossibile sulla Terra, a causa delle loro debolissime interazioni con la materia “conosciuta”, cosiddetta ordinaria.
In un nuovo lavoro recentemente pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, il team di ricercatori coordinato da Paolo Pani del Dipartimento di Fisica della Sapienza, ha identificato nei buchi neri un metodo innovativo per la ricerca di questa materia oscura ultraleggera.
I buchi neri possono amplificare radiazione in un certo range di frequenze generando un sorprendente effetto chiamato superradianza. Finora la superradianza e il suo segnale emesso in onde gravitazionali sono stati studiati solo per una certa famiglia di particelle con proprietà simili al fotone, per riprodurre onde elettromagnetiche, qui, per la prima volta sono stati applicati a particelle con proprietà simili al gravitone, trasformando i buchi neri in veri e propri “fari di onde gravitazionali”.
Secondo i ricercatori, se tali particelle esistono in natura e hanno una massa minuscola, potenzialmente qualsiasi buco nero nell’universo potrebbe emettere periodicamente onde gravitazionali a una data frequenza (direttamente correlata alla massa delle particelle di materia oscura), analogamente a uno strumento musicale che ripete sempre la stessa singola nota con cadenza regolare.
“Cercando questo segnale – commenta Paolo Pani – i rivelatori di onde gravitazionali come LIGO e Virgo (e la futura missione spaziale LISA, supportata da ESA e NASA) cercheranno la materia oscura ultraleggera in un nuovo regime, finora praticamente inesplorato. E forse, dopo tutto, la risposta al problema della materia oscura verrà proprio dai buchi neri”.
Lo studio è parte del progetto Marie Skłodowska Curie “FunGraW” (PI: Richard Brito) e del progetto ERC DarkGRA (PI: Paolo Pani) entrambi ospitati presso il Dipartimento di Fisica della Sapienza.
Riferimenti:
Black Hole Superradiant Instability from Ultralight Spin-2 Fields – Richard Brito, Sara Grillo, and Paolo Pani – Phys. Rev. Lett. 124, 211101 – Published 27 May 2020 DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.211101
Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma
Il topolino domestico delle Isole Eolie: uno straordinario modello evolutivo risultato di una amicizia millenaria con l’uomo
Lo studio firmato Sapienza identifica nel patrimonio genetico del piccolo animale il segreto per la comprensione degli intricati meccanismi legati alla comparsa di nuove specie I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Molecular Biology and Evolution
Secondo il calendario cinese, il 2020 è l’anno del Topo e la rivista Molecular Biology and Evolution ha voluto celebrare questo avvenimento dedicando una particolare attenzione scientifica agli studi sulla genetica evolutiva di ratti e topi.
Fra questi, è stato selezionato e pubblicato il lavoro del gruppo di ricerca coordinato da Riccardo Castiglia del Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza, riguardante l’evoluzione in Mus domesticus, anche detto topolino delle case o topo domestico, nell’arcipelago delle Isole Eolie (Sicilia).
Lo studio, per mezzo di tecniche di sequenziamento genetico di ultima generazione (Next Generation Sequencing, NGS), ha analizzato da un nuovo punto di vista la straordinaria diversità cromosomica delle popolazioni del topolino delle case che vivono nell’arcipelago. La particolarità genetica di questo animale è il risultato di una millenaria convivenza con l’uomo che avrebbe avuto quindi un ruolo determinate nel suo processo evolutivo.
Il topolino domestico ha origine nel corso del Neolitico in Medio Oriente, come commensale dell’uomo che, a quel tempo, iniziava a vivere in comunità stanziali. Da lì, insieme al suo compagno di viaggio si è spostato arrivando nel Mediterraneo centrale circa 3.000 anni fa, durante l’Età del Ferro. Le Isole Eolie rappresentavano in quel periodo storico un crocevia di passaggio delle navi mercantili, una delle principali vie commerciali dell’ossidiana, il prezioso vetro nero vulcanico.
“Le isole – commenta Emanuela Solano, autrice dello studio – sono una fabbrica di variabilità genetica e rappresentano un vero paradiso per il biologo evoluzionista. Grazie alla collaborazione con l’Università di Konstanz, nel nostro lavoro abbiamo affiancato per la prima volta all’analisi dell’evoluzione cromosomica in Mus domesticus, che è il nostro ambito di ricerca da svariati anni, un approccio genome wide, basato sull’indagine dell’intero genoma”.
Così i ricercatori hanno osservato come il Mus domesticus abbia sviluppato, nel tempo e in molte delle aree che ha “colonizzato”, diverse mutazioni cromosomiche (dette traslocazioni Robertsoniane) da cui sono derivate le cosiddette razze cromosomiche, ovvero numerose popolazioni con numero cromosomico variabile. Nello specifico è stato evidenziato che tale diversità cromosomica si è originata all’interno dell’arcipelago e non deriva da colonizzazioni multiple da aree limitrofe, come invece si riteneva in precedenza.
Inoltre, sono stati dimostrati complessi meccanismi di ibridazione che hanno “rimescolato” le razze cromosomiche presenti sulle diverse isole per arrivare a nuove combinazioni cromosomiche.
“La presenza di razze cromosomiche – aggiunge Solano – rende il topolino un modello per gli studi volti a comprendere i meccanismi legati all’origine di nuove specie (la speciazione) e il ruolo delle mutazioni cromosomiche nella fertilità degli ibridi”.
“La risoluzione di questo complesso modello di evoluzione cromosomica – conclude Riccardo Castiglia – ha dimostrato che il topolino ha grandi “capacità evolutive” e che nella sua veste selvatica può rappresentare un occhio sull’evoluzione in tempi brevi, evidenziando, ogni volta che si va a fondo su questo argomento, aspetti sorprendenti. Rappresenta, quindi, un validissimo strumento per la comprensione degli intricati meccanismi che portano alla comparsa di nuove specie rappresentando un proxy per lo studio della biodiversità del pianeta”.
Riferimenti:
Reconstructing the evolutionary history of chromosomal races on islands: a genome-wide analysis of natural house mouse populations – Paolo Franchini, Andreas F Kautt, Alexander Nater, Gloria Antonini, Riccardo Castiglia, Axel Meyer, Emanuela Solano – Molecular Biology and Evolutionhttps://doi.org/10.1093/molbev/msaa118
Testo sul topolino domestico delle Isole Eolie (Sicilia) dal Settore Ufficio stampa e comunicazione dell’Università Sapienza di Roma
Un nuovo alleato per resistere a quell’incontrollabile desiderio di abbuffarsi di cibo
Lo studio italiano dei gruppi di ricerca della Sapienza e dell’Università di Camerino ha identificato in una molecola, l’oleoiletanolamide, un nuovo strumento farmacologico per prevenire e contrastare il disturbo da alimentazione incontrollata. I risultati del lavoro sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Neuropsychopharmacology
Durante questo periodo unico nella storia moderna rifugiarsi nel cibo è per molte persone un modo per sfuggire alle emozioni negative e per gratificarsi attraverso i piaceri della vita. Questo perché molti alimenti, soprattutto quelli ricchi di zuccheri, costituiscono una fonte di energia immediatamente disponibile per l’organismo e allo stesso tempo stimolano la trasmissione dopaminergica nel cervello, il neurotrasmettitore associato alla motivazione e al senso di gratificazione.
Si tratta di una normale risposta fisiologica allo stress che, tuttavia, in molti individui diventa un comportamento compulsivo, incontrollabile e ripetitivo che spesso sfocia in una vera e propria patologia. È il caso del Binge Eating Disorder (BED) il disturbo alimentare più comune, caratterizzato da episodi ricorrenti di abbuffate fuori controllo, analoghe a quelle della bulimia, non seguiti da atti compensatori o di eliminazione (come l’induzione del vomito o l’auto-somministrazione di lassativi). Chi ne è affetto sviluppa nel tempo obesità grave, oltre a un marcato disagio psicologico, caratterizzato da depressione, ansia, bassa autostima o altri problemi che possono influenzare notevolmente la qualità della vita.
I trattamenti più significativi e attualmente disponibili per il BED prevedono una combinazione di psicoterapia e farmacoterapia, quest’ultima generalmente basata su farmaci antidepressivi. Tuttavia, il fatto che il tasso di ricaduta sia ancora molto elevato evidenzia la necessità di individuare strategie più efficaci.
Due gruppi di ricerca coordinati rispettivamente da Silvana Gaetani del Dipartimento di Fisiologia e farmacologia Vittorio Erspamer della Sapienza e da Carlo Cifani della Scuola di Scienze del farmaco e dei prodotti della salute dell’Università di Camerino, hanno identificato in una molecola, l’oleoiletanolamide, un nuovo strumento farmacologico per prevenire e contrastare il disturbo da alimentazione incontrollata. I risultati dello studio sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Neuropsychopharmacology.
Il crescente interesse della comunità scientifica per l’oleoiletanolamide, più nota con il suo acronimo OEA, deriva dal suo ruolo ben caratterizzato come segnale di sazietà per il cervello e come regolatore del metabolismo, soprattutto quello dei grassi. In questo panorama di scoperte chiave sul ruolo dell’OEA, il team Sapienza ha dato negli ultimi quindici anni un significativo contributo.
“Oggi sappiamo – spiegano Adele Romano della Sapienza e Maria Vittoria Micioni Di Bonaventura dell’Università di Camerino, entrambe primi co-autori dello studio – che l’OEA è in grado di prevenire lo sviluppo di un comportamento alimentare anomalo, di tipo binge, e agisce modulando l’attività di circuiti cerebrali che rispondono alle proprietà piacevoli del cibo e/o all’esposizione a una condizione stressante”.
“Le prove scientifiche che abbiamo fornito – aggiunge Silvana Gaetani – sono state ottenute in un modello sperimentale di BED, sviluppato dal team di Carlo Cifani, e sebbene debbano essere confermate in pazienti affetti da BED, fanno ben sperare che l’OEA possa essere effettivamente un nuovo potenziale alleato per la prevenzione o la cura dei disturbi del comportamento alimentare”.
Riferimenti:
Oleoylethanolamide decreases frustration stress-induced binge-like eating in female rats: a novel potential treatment for binge eating disorder – Adele Romano, Maria Vittoria Micioni Di Bonaventura, Cristina Anna Gallelli, Justyna Barbara Koczwara, Dorien Smeets, Maria Elena Giusepponi, Marialuisa De Ceglia, Marzia Friuli, Emanuela Micioni Di Bonaventura, Caterina Scuderi, Annabella Vitalone, Antonella Tramutola, Fabio Altieri, Thomas A. Lutz, Anna Maria Giudetti, Tommaso Cassano, Carlo Cifani and Silvana Gaetani – Neuropsychopharmacology (2020) 0:1–11; https://doi.org/10.1038/s41386-020-0686-z
Testo e foto dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma
I giovani ricercatori del QuantumLab della Sapienza, coordinato da Fabio Sciarrino, hanno realizzato la prima rete quantistica in grado di generare correlazioni non-locali tra cinque laboratori distinti. L’articolo è stato pubblicato su Nature Communications
Dodici giovanissimi ricercatori, cinque laboratori da coordinare e una rete da formare.
Così l’esperienza interdisciplinare del gruppo del Quantum Information Lab della Sapienza, guidato da Fabio Sciarrino e composto da un laureando magistrale, sei studenti di dottorato, un tecnico elettronico, un assegnista e un ricercatore, con il supporto del fisico brasiliano Rafael Chaves, ha portato alla realizzazione di una rete quantistica formata da cinque diversi nodi, che ha permesso di mostrare correlazioni quantistiche condivise da più di tre parti distinte, il massimo mai raggiunto finora.
Le tecnologie basate sulle leggi della meccanica quantistica sono sempre più diffuse ed i potenziali vantaggi legati al loro utilizzo sono ormai riconosciuti in tutti i campi, dalla comunicazione alla protezione dei dati. “Ciononostante – commenta Gonzalo Carvacho, assegnista senior del QuantumLab – test di non-località multipartita sono stati limitati ai casi più semplici. Qui andiamo oltre, verso la realizzazione di reti quantistiche più grandi”.
Nello studio pubblicato su Nature Communications, il team ha scelto infatti una configurazione “a stella”, in cui si ha un nodo centrale che condivide uno stato quantistico correlato con quattro nodi periferici, tutti collocati in laboratori diversi, muniti di una sorgente di stati quantistici e da una stazione di misura.
Qui ogni nodo genera uno stato formato da due sottosistemi correlati e, attraverso una fibra lunga 30 metri, ne manda uno a quello centrale. A questo punto, sia il nodo centrale sia quelli periferici effettuano misure sul loro sistema, sincronizzandosi attraverso un sofisticato software realizzato ad hoc per l’esperimento.
“Infine – spiega Davide Poderini, studente di dottorato – abbiamo verificato che tra le sorgenti degli stati quantistici non ci fosse una comunicazione “classica”, bensì solo correlazioni quantistiche (o non classiche). Usando dei dispositivi totalmente diversi e scorrelati nei vari laboratori, possiamo assicurare, con un elevato livello di confidenza, la loro indipendenza”.
“Questo risultato – aggiunge Iris Agresti, da poco assegnista junior del QuantumLab – è un passo avanti significativo verso la realizzazione di una rete quantistica di grandi dimensioni, perché offre un prototipo scalabile, che va oltre gli scenari più semplici realizzati finora”.
I risultati dell’esperimento, per sua natura versatile, costituiscono un elemento chiave per nuovi studi su topologie diverse di rete capaci di generare correlazioni non-classiche di vari tipi, aprendo scenari inesplorati. Inoltre, l’apparato progettato potrà anche essere utilizzato per la realizzazione di nuovi protocolli di comunicazione e di crittografia.
“Il prossimo passo – conclude Fabio Sciarrino – sarà combinare le aree di esperienza del gruppo nella fotonica integrata e nella realizzazione di stati quantistici condivisi da più parti, per nuove applicazioni che si trovino all’intersezione tra la comunicazione e la computazione quantistica”.
Referimenti:
Experimental violation of n-locality in a star quantum network – Davide Poderini, Iris Agresti, Guglielmo Marchese, Emanuele Polino, Taira Giordani, Alessia Suprano, Mauro Valeri, Giorgio Milani, Nicolò Spagnolo, Gonzalo Carvacho, Rafael Chaves and Fabio Sciarrino – Nature Communications volume 11, Article number: 2467 (2020)DOI 10.1038/s41467-020-16189-6
Testo e immagini dall’Ufficio Stampa Università La Sapienza Roma
Prevedere il comportamento delle piante con un modello matematico
È uno dei pochi modelli computazionali che, riproducendo l’attività di diversi network genetici, è in grado di fare predizioni poi verificate in vivo. Lo studio, coordinato dal Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza in collaborazione con l’Università di Utrecht, è stato pubblicato sulla rivista Developmental Cell
Radice di Arabidodopsis thaliana esprimente il gene PLETHORA (in giallo) messa a confronto con il layout del modello matematico in cui una simulazione ha distribuito il gene PLETHORA (in bianco)
La crescita di un organo è un processo articolato in cui l’attività delle cellule e dei tessuti che lo compongono deve essere finemente regolata per garantire una forma e una dimensione finale compatibili con la sua funzione. Ciò vale anche per i vegetali, dei quali sono ancora poco noti i meccanismi alla base della formazione di organi, quali radici, fusti e foglie.
Con le moderne tecnologie di analisi molecolare ad ampio spettro è stato possibile raccogliere negli ultimi anni un’enorme quantità di dati di rilevanza biologica, ma la possibilità di integrarli in un modello capace di predire il comportamento in funzione di alcuni parametri resta ancora molto limitata.
In un nuovo studio coordinato da Sabrina Sabatini del Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza, in collaborazione con il Dipartimento di Biologia computazionale dell’Università di Utrecht, è stato realizzato un modello computazionale in grado di riprodurre esattamente le fasi di crescita della radice di Arabidopsis thaliana. Integrando evidenze sperimentali con la biologia computazionale, il programma predice il comportamento della pianta in vivo e in diverse condizioni ambientali. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Developmental Cell.
Per acquisire tali risultati, i ricercatori hanno identificato alcuni dei circuiti molecolari centrali nella crescita della radice, utilizzandoli poi come parametri per lo sviluppo del modello.
“Questo lavoro – spiega Sabrina Sabatini – è un esempio di come si può modellizzare un sistema regolativo complesso predicendone gli esiti a partire dai parametri chiave. L’utilizzo di un modello computazionale ci ha permesso di stabilire ad esempio come la proteina PLETHORA (PLT), che si trova in grandi quantità nella nicchia staminale della radice, venga gradualmente diluita in seguito dell’attivazione della divisione cellulare e distribuita nelle cellule indifferenziate di nuova generazione, dove raggiunge livelli minimi di concentrazione”.
Da qui, i ricercatori hanno identificato i network attivi nel differenziamento cellulare e i loro meccanismi di funzionamento: come l’azione inibitoria reciproca di alcune molecole controlli il numero di cellule indifferenziate della radice e come tale processo venga interrotto, a 5 giorni dalla germinazione, da un ormone che favorisce il differenziamento e garantisca una crescita coerente dell’organo.
“Il nostro – conclude Sabatini – è uno dei pochi modelli dinamici che incorpora l’attività di diversi network genetici in grado di riprodurre in silico la crescita della radice, e potrà essere utilizzato per fare predizioni testabili sperimentalmente in vivo”.
Riferimenti per lo studio sul modello matematico per prevedere il comportamento delle piante:
A self-organized plt/auxin/arr-b network controls the dynamics of root zonation development in arabidopsis thaliana– Elena Salvi, Jaap Rutten, Riccardo Di Mambro, Laura Polverari, Valerio Licursi, Rodolfo Negri, Raffaele Dello Ioio, Sabrina Sabatini& Kirsten Ten Tusscher – Developmental Cell https://doi.org/10.1016/j.devcel.2020.04.004
Testo e immagine dell’arabidopsis thaliana dall’Università Sapienza di Roma.
Accostare la parola “marea” alla Geologia può lasciare perplessi in prima battuta, scavando nella memoria difficilmente si recupera un ricordo che le vede accomunate. Un termine notoriamente associato al movimento di masse liquide e la scienza che studia le masse rocciose: in che modo sono legati?
A partire dalla metà del ventesimo secolo, la teoria della tettonica a placche è entrata a far parte stabilmente del pensiero scientifico: da allora gli esperti dibattono sui processi che governano il moto dei blocchi tettonici. Postulata e dimostrata la teoria della deriva dei continenti, gli scienziati hanno ricercato le sue cause nella struttura interna della Terra ed in particolare nei moti convettivi del mantello superiore, che determinano l’allontanamento o la collisione delle placche.
Secondo i dati raccolti, però, i movimenti relativi dei blocchi non sono governati esclusivamente dalla dinamica del mantello: esiste una componente orizzontale regolata da un processo diverso. Da ricercare fuori e non dentro il pianeta. Ecco che entrano in gioco le “maree solide”, movimenti di blocchi di litosfera dipendenti dai moti solari e lunari con lungo periodo di oscillazione (maggiore di un anno).
La sezione di Terra oggetto di studio è la litosfera, l’insieme della crosta terrestre e della parte superiore del mantello. Il suo comportamento – se sottoposta a sforzo – è di tipo rigido, a differenza della sottostante astenosfera più fluida e facilmente deformabile. La separazione tra queste due masse è garantita dalla low velocity zone (LVZ), una fascia a basse velocità delle onde sismiche sulla quale la litosfera scorre con poca frizione.
La struttura della terra: 1) crosta, 2) mantello, 3) nucleo (esterno liquido e interno solido), 4) litosfera, 5) astenosfera. ImmagineUSGS, vettoriale di Anasofiapaixao, pubblico dominio
La ricerca ha analizzato la distanza relativa di una serie coppie di stazioni GNSS (Global Navigation Satellite Systems) collocate su placche differenti (9) ed una coppia di controllo sulla stessa placca. Lo studio si è focalizzato sui moti ciclici del Sole e della Luna con oscillazioni comprese tra uno e 18,61 anni. Cicli più brevi e quindi più frequenti vengono mascherati da effetti climatici sull’atmosfera e sul sottosuolo (influenzando ad esempio pressione dei fluidi). Inoltre, i cataloghi delle misurazioni satellitari hanno a disposizione dati degli ultimi 15-20 anni.
Il professor Carlo Doglioni ha quindi risposto per noi ad alcune domande relative a questo ultimo, importante studio.
Professor Doglioni, ci sono teorie e/o ricerche riguardo oscillazioni astronomiche con periodo maggiore? Che cataloghi e misurazioni vengono usati in quel caso?
Lo studio pubblicato è un tassello importante di un percorso di ricerca iniziato circa 30 anni fa, quando si è iniziato a vedere che le placche (cioè i frammenti della litosfera, il guscio esterno della Terra) non si muovono a caso, ma seguono un flusso primario, descritto da quello che abbiamo definito ‘equatore tettonico’, che fa un angolo di circa 30° rispetto all’equatore geografico.
Guarda caso, la proiezione del passaggio della Luna sulla Terra descrive un angolo molto simile. Poi però negli anni sono state documentate delle profonde asimmetrie della tettonica in funzione della polarità geografica, per esempio le differenze tra le catene montuose legate a subduzioni verso ‘est’ o verso ‘ovest’.
Infine è stato documentato come il guscio litosferico, circa 100 km di spessore, abbia un ritardo verso ‘ovest’ di alcuni centimetri l’anno rispetto al mantello sottostante. Quindi la tettonica delle placche è polarizzata. Queste osservazioni cruciali sono state in larga parte ignorate o liquidate come effetti secondari della sola dinamica interna di raffreddamento della Terra.
Ora abbiamo invece una prova sperimentale che le maree solide – e quindi le forze astronomiche – hanno invece un effetto cruciale sulla dinamica delle placche, in particolare quelle che hanno frequenze compatibili con le alte viscosità del mantello terrestre. L’equatore tettonico, per esempio, sembra avere una inclinazione controllata dalla precessione dell’asse di rotazione terrestre, cioè circa 26.000 anni.
Quindi sì, dovrebbero esserci effetti importanti anche con frequenze con periodi più lunghi a quelli delle nutazioni (18.6 anni). In questo caso però non ci sono cataloghi né sismici, né geodetici che ci possano aiutare, se non i dati geologici di lungo periodo.
Lo studio conferma inoltre la teoria secondo cui l’attività sismica ha un legame con il movimento relativo di Sole e Luna. Che impatto ha questa relazione sullo studio dei terremoti, in particolare sui cataloghi degli eventi sismici passati e sul monitoraggio delle aree attive? Potranno esserci (o esistono già) studi in “tempo reale” (geologicamente parlando) dell’effetto sui diversi tipi di faglia?
La gravità rimane sempre uno dei segreti più straordinari della natura e i suoi effetti sono in parte ancora da scoprire. Basti pensare che pur avendo il Sole il 99% della massa di tutto il sistema solare, il baricentro del sistema solare oscilla continuamente per effetto della massa rimanente inferiore all’1% di cui Giove fa la parte del leone. Le forze mareali, inoltre, vanno con il cubo della distanza, e questo spiega perché la Luna, pur essendo infinitamente più piccola, ha un effetto mareale circa doppio rispetto al Sole.
La tettonica delle placche e quindi la sismicità esistono però perché il mantello terrestre può convettere, e questo è possibile perché la temperatura e la composizione interna della Terra determinano viscosità che permettono questa mobilità. Tuttavia, la domanda è se i moti convettivi sono l’unico motore attivo oppure se esiste un’altra forza che li mette in movimento.
La componente orizzontale della marea solida ora è il candidato ideale per far scivolare la litosfera sul mantello sottostante, per farla sprofondare nelle zone di subduzione o permettere la risalita per isostasia del mantello al di sotto delle dorsali oceaniche che si formano dove i gradienti di viscosità determinano velocità diverse tra le placche a parità di effetto mareale. In sostanza la convezione mantellica viene polarizzata e attivata dalla componente orizzontale della marea solida; una componente che sposta avanti e indietro il suolo di 10-20 cm a ogni passaggio è la miglior candidata a pompare il sistema tettonico.
Vediamo infatti una certa correlazione con la sismicità in funzione dei periodi in cui la componente orizzontale è maggiore. Tuttavia, la sismicità è la liberazione di gradienti di pressione che si formano nei decenni, se non millenni, e la rottura che provoca il terremoto si attua nel momento in cui le rocce non sono più in grado di accumulare energia; viene dunque raggiunta la soglia critica e si attivano le faglie che producono i terremoti.
In sostanza, la correlazione tra maree e terremoti è più subdola, nel senso che c’è una frequenza maggiore di terremoti quando le placche vanno un po’ più veloci, ma i terremoti avvengono anche quando le placche si muovono più lentamente, qualora lo stato limite o condizione critica siano stati raggiunti. La componente orizzontale fornisce l’energia al sistema, mentre la componente verticale della marea modifica e modula continuamente, ogni secondo, la gravità terrestre, alzando e ribassando la litosfera e quindi anche la superficie terrestre di 30-40 cm, e quindi modificando anche il peso delle rocce: questa oscillazione favorisce o sfavorisce i terremoti in funzione della loro natura.
Per esempio, i terremoti estensionali avvengono più frequentemente durante le fasi di bassa marea (quando cioè la gravità terrestre è massima), mentre i terremoti compressivi avvengono più spesso durante le fasi di alta marea perché con una leggera diminuzione della forza di gravità si facilita lo scorrimento contrazionale.
In sostanza, la componente orizzontale carica il sistema, mentre quella verticale può essere il grilletto che innesca i terremoti, ma questi possono avvenire indipendentemente dalla marea quando la ‘misura è colma’. La Terra esercita delle maree solide che innalzano il suolo lunare di circa 10 metri, e la sismicità lunare ha una ciclicità mensile concentrata nell’emisfero rivolto verso la Terra.
La Luna non ha una tettonica delle placche perché evidentemente non ha temperature interne sufficientemente alte da determinare basse viscosità che permettano la convezione e inoltre si trova in tidal-locking, cioè guarda la Terra sempre con la stessa faccia, quindi manca la rotazione del corpo celeste come per il nostro pianeta. Quindi sì, c’è un controllo gravitazionale fondamentale sulla sismicità, ma questo non significa che ora siamo in grado di prevedere i terremoti.
Sismogramma all’Osservatorio di Weston, Massachussetts. Foto di Z22, CC BY-SA 3.0
Abbiamo però una chiave di lettura che ci permetterà di approfondire quei settori delle geoscienze che ci possono dare informazioni deterministiche sull’evoluzione delle aree a maggiore pericolosità sismica: dalla geodesia alla geochimica dei fluidi, dalla statistica all’intelligenza artificiale, discipline che ci permettono di riconoscere dei transienti o anomalie che preludono l’attivazione delle faglie, o meglio il rilascio dell’energia accumulata nei volumi adiacenti alle faglie stesse che sono dei piani passivi di rilascio e canalizzazione di una parte di questa energia.
Che impatto può avere questa ricerca sullo studio degli hotspot, ad esempio quello delle Hawaii? Può aiutare a definire la profondità di origine del magma che alimenta l’apparato vulcanico? Può aiutare a determinare la dinamica dello spostamento dell’hotspot stesso (se lo spostamento esiste)?
Uno studio relativamente recente – grazie alla tecnica sismologica delle receiver functions – ha permesso di ricostruire la profondità a circa 130 km della camera magmatica sotto le Hawaii: questo significa che sì, gli hotspot pacifici sono alimentati da magma che proviene appunto da quel livello sotto la litosfera che si chiama canale a bassa velocità (low-velocity zone, LVZ) che costituisce la parte alta dell’astenosfera che va da circa 100 a 410 km di profondità.
I magmi delle Hawaii inoltre, sulla base dei dati petrologici sappiamo che si sono formati a una temperatura di circa 1500°C, a conferma del dato sismologico, e sono quindi relativamente superficiali, non provenienti cioè dal limite nucleo-mantello a 2900 km, come alcuni ricercatori avevano ipotizzato. Le Hawaii, come varie altre catene magmatiche, ci documentano che la litosfera si muove rispetto all’astenosfera e questo dato ci permette di calcolare la deriva della litosfera verso ‘ovest’ rispetto al mantello.
Vi sono anche altri tipi di catene magmatiche che venivano etichettate come hotspot, in particolare posizionate sulle dorsali oceaniche come l’Islanda, le Azzorre, Ascencion, ma è stato dimostrato dalle ricerche di scienziati italiani come Enrico Bonatti e Marco Ligi che in realtà sono zone dove il mantello fonde a una temperatura più bassa per il maggiore contenuto di fluidi, a cominciare dall’acqua stessa. Sono chiamati appunto wetspot o punti bagnati e hanno quindi un’origine e una composizione diversa rispetto agli hotspot come le Hawaii. Lo spostamento degli hotspot e wetspot è documentato, ma ha natura e significato geodinamico diverso. Nessun punto o margine di placca sulla Terra è fisso, tutto si muove, a velocità diverse, rispetto al mantello sottostante.
Quali campi altri di ricerca potranno beneficiare delle conclusioni di questo studio?
Il nostro auspicio (con Davide Zaccagnino e Francesco Vespe, coautori della ricerca, ma anche di numerosi altri colleghi che nel corso degli anni hanno contribuito in modo fondamentale a queste ricerche) è che questa scoperta sia l’inizio di un percorso che ci permetterà di capire sempre meglio non solo la sismicità, ma anche i meccanismi fondamentali di funzionamento della Terra e le sue interazioni con la dinamica planetaria e, perché no, anche dell’origine ed evoluzione della vita.
Uno studio della Sapienza in collaborazione con l’Istituto Italiano di Tecnologia fornisce nuove informazioni sulla parte meno conosciuta del nostro corredo genetico mettendo sotto i riflettori il meccanismo di azione di una molecola di RNA non codificante sulla formazione dei tessuti muscolari. L’articolo è stato pubblicato sulla rivista EMBO Reports, che gli ha dedicato una creativa copertina per il numero di giugno.
Il nostro genoma può essere paragonato a un “manuale di istruzioni” che regola lo sviluppo e il funzionamento del nostro organismo. Per molti anni la comunità scientifica non ha approfondito quella parte consistente del suo contenuto che non essendo destinata alla produzione di proteine, era ritenuta meno importante. Per tale ragione, le informazioni presenti al suo interno, ovvero il ruolo funzionale di questi elementi, non codificanti”, è rimasto a lungo sconosciuto.
Nell’ambito della cosiddetta “materia oscura” del genoma, ci sono migliaia di sequenze di RNA non codificanti (ncRNA), che si sono rivelate invece centrali nel controllo di tutti quei processi che sottintendono al corretto differenziamento di cellule e tessuti del nostro organismo, e che, se alterate, possono causare numerose malattie. La loro funzione si esplica sia nel nucleo che nel citoplasma dove regolano rispettivamente la produzione degli RNA messaggeri (mRNA) e il successivo processo di traduzione in proteine.
Un team di ricercatori del Dipartimento di Biologia e biotecnologie “Charles Darwin” della Sapienza e dei centri CLNS e CHT dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), ha scoperto in un RNA non codificante, lnc-SMaRT, un interessante meccanismo d’azione attraverso il quale la molecola riesce a controllare lo sviluppo delle cellule muscolari.
Il nuovo studio ha svelato come lnc-SMaRT sia capace di regolare negativamente la traduzione di un RNA messaggero, MLX-g, che ricopre un ruolo fondamentale nella formazione dei tessuti muscolari. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista EMBO Reports, che ha dedicato allo studio la copertina del numero di giugno.
“Questo RNA – spiega Irene Bozzoni, coordinatrice del team di ricerca – presenta al suo interno una struttura G-quadruplex, una sorta di nodo, che ha bisogno di essere sciolta da un enzima, DHX36, affinchè l’informazione contenuta al suo interno possa essere efficientemente tradotta e quindi convertita in proteina. In questo meccanismo raffinato, abbiamo visto che lnc-SMaRT va a inserirsi come antagonista rispetto aDHX36, bloccando la sequenza su cui l’enzima opera”.
I ricercatori hanno dimostrato come lnc-SMaRT, legandosi alla struttura G-quadruplex dell’RNA messaggero MLX-g, riesca ad abbassare i livelli della corrispondente proteina e a scandire in maniera precisa le tempistiche che portano al corretto differenziamento muscolare.
“I risultati – conclude Bozzoni – aggiungono un importante tassello alla comprensione dell’utilità di strutture complesse dell’RNA come le G-quadruplex e, grazie all’identificazione di un nuovo meccanismo di regolazione, contribuiscono a gettare nuova luce sul repertorio funzionale degli RNA non codificanti, la parte “oscura” dei trascritti delle nostre cellule.
Lo studio di questi meccanismi d’azione è parte integrante di progetti finanziati dal programma H2020 Synergy Grants (SyG) dell’European Research Council (ERC).
Riferimenti:
SMaRT lncRNA controls translation of a G‐quadruplex‐containing mRNA antagonizing the DHX36 helicase – Julie Martone, Davide Mariani, Tiziana Santini, Adriano Setti, Sama Shamloo, Alessio Colantoni, Francesca Capparelli, Alessandro Paiardini, Dacia Dimartino, Mariangela Morlando, Irene Bozzoni – EMBO Rep (2020) https://doi.org/10.15252/embr.201949942
Testo e immagine dall’Ufficio Stampa Università La Sapienza di Roma
Le forze di natura astronomica come le maree solide svolgono un ruolo attivo sulla tettonica delle placche: è quanto affermano i risultati di una ricerca frutto della collaborazione fra l’Università Sapienza di Roma, l’ASI e l’INGV
Il motore della dinamica delle placche tettoniche è ancora relativamente poco chiaro. Da decenni si è pensato che la Luna e il Sole potessero contribuire alla dinamica interna della Terra, ma, nonostante vi fossero molte evidenze indirette, la loro influenza non era mai stata dimostrata in modo convincente.
Non tutti sanno che oltre alle maree liquide vi sono anche le maree solide che deformano continuamente la crosta terrestre, dislocando il suolo sia sulla verticale che sulla orizzontale di diversi decimetri. Con lo studio “Tidal modulation of plate motions” appena pubblicato su Earth Science Reviews, gli scienziati dell’Università Sapienza di Roma, dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) hanno fatto luce sull’importanza delle maree solide, (cioè di quelle deformazioni del suolo e di tutta la crosta terrestre che avvengono durante il passaggio allo zenit dei due corpi celesti) provando il legame fra gli spostamenti delle placche tettoniche e le forze di natura astronomica come le maree, in particolare nella loro componente orizzontale.
Gli effetti periodici delle maree si verificano a intervalli di tempo molto diversi. Alcuni hanno alta frequenza, cioè avvengono con cadenza semidiurna, diurna, bisettimanale e mensile. Altri, invece sono a bassa frequenza con cadenze più lunghe: semi-annuali, annuali, 8,8 e i 18,6 anni circa, fino ad arrivare a quella della precessione degli equinozi che ha un periodo di 26.000 anni. Quelle con periodi di 8,8 e 18,6 anni, sulle quali si è focalizzato lo studio, sono dovute, rispettivamente, alla precessione del perigeo e del nodo ascendente della Luna.
Le oscillazioni ad alta frequenza sono per lo più smorzate dall’alta viscosità del guscio esterno della Terra, la litosfera, che è spessa circa 100 km e il cui movimento relativo al mantello sottostante è rimasto finora inspiegato. Inoltre, le oscillazioni ad alta frequenza si confondono con fattori climatici e stagionali dovuti a oscillazioni della pressione atmosferica e dei cicli dei fluidi nel sottosuolo e nei bacini oceanici. Da qui l’idea di ricercare oscillazioni orizzontali di bassa frequenza sulle linee di base inter-continentali, perché univocamente attribuibili alle sollecitazioni mareali.
Ciò è stato possibile grazie alla rete globale di stazioni GNSS permanenti (la sigla sta per “Global Navigation Satellite Systems”, che comprende sia il GPS americano che il sistema GALILEO europeo) attraverso la quale è possibile effettuare misure di velocità tra le placche anche tra stazioni a migliaia di chilometri di distanza.
Grazie a importanti servizi internazionali operanti da almeno 30 anni come l’International GNSS Service (IGS), cui contribuisce in modo significativo l’ASI attraverso il suo Centro di Geodesia Spaziale di Matera, le stazioni hanno accumulato serie storiche delle loro coordinate giornaliere lunghe ormai almeno 20 anni, necessarie per svolgere questo tipo di analisi.
Così Davide Zaccagnino, Francesco Vespe e Carlo Doglioni hanno effettuato l’analisi delle variazioni nel tempo della velocità di allontanamento o avvicinamento tra le placche.
Dai loro studi è emerso che la deriva secolare dei continenti, cioè delle placche litosferiche in cui è suddiviso il guscio del pianeta, è modulata da una vibrazione che oscilla alle stesse basse frequenze delle maree. È stata fatta una controprova per linee di base intra-placca per capire se queste oscillazioni persistessero o meno.
Proprio la trascurabilità riscontrata su linee di base intra-placca ha confermato che queste forze astronomiche giocano un ruolo decisivo nel descrivere i moti della deriva dei continenti che, quindi, lentamente si muovono verso ‘ovest’ grazie alla spinta orizzontale delle maree solide rispetto al mantello sottostante, lungo un flusso ondulato descritto dal cosiddetto equatore tettonico che fa un angolo di circa 30° con l’equatore geografico.
