Sfruttare l'organizzazione della superficie cellulare

Le cellule biologiche hanno molte funzioni diverse e devono comunicare tra loro per coordinarle. Le molecole sulla superficie cellulare sono fondamentali per questo scopo. I biologi studiano queste proteine di superficie da decenni. ? sempre più chiaro che la funzione di una cellula dipende non solo da quali proteine sono presenti, ma anche da come sono organizzate sulla superficie cellulare.

"Le proteine non sono semplicemente distribuite in modo uniforme e indipendente l'una dall'altra sulla superficie cellulare, ma sono organizzate in comunità molecolari. In queste società, le proteine svolgono spesso funzioni cellulari insieme", spiega Bernd Wollscheid, professore dell'Istituto di ricerca traslazionale dell'ETH di Zurigo. Insieme a un ampio team interdisciplinare che comprende anche altri ricercatori dell'ETH di Zurigo e di altre istituzioni, il dottorando di Wollscheid, Maik Müller, ha ora sviluppato una tecnologia che può essere utilizzata per registrare l'organizzazione delle molecole della superficie cellulare.

"Distribuire baci"

Utilizzando il metodo noto come LUX-MS, i ricercatori possono determinare con precisione a livello nanometrico come le proteine sulla superficie cellulare sono integrate in un'organizzazione, in particolare quali proteine sono in stretta prossimità l'una dell'altra. Gli scienziati sono già stati in grado di rilevare le interazioni per singole proteine che interagiscono fortemente tra loro e per le molecole all'interno della cellula. Tuttavia, il nuovo metodo è il primo con cui gli scienziati possono registrare in modo specifico l'organizzazione dell'insieme di tutte le molecole della superficie cellulare. Wollscheid si riferisce a questa totalità come al "surfaceome". Il termine è composto da surface, la parola inglese che indica la superficie, e dal suffisso -om, utilizzato anche per termini come genoma o proteoma.

Wollscheid spiega come segue il principio del metodo con un sorriso: "Modifichiamo in modo specifico una certa molecola di superficie in modo che sparga baci, e poi guardiamo quali altre molecole hanno ricevuto tracce di rossetto": in senso non translazionale, si tratta di allegare un piccolo composto chimico che produce piccole quantità di cosiddette molecole reattive di ossigeno quando viene irradiato con la luce. Le proteine di superficie nelle vicinanze vengono ossidate dalle molecole di ossigeno reattivo. Utilizzando uno specifico metodo di arricchimento e la spettrometria di massa in combinazione con l'analisi statistica dei dati, gli scienziati possono quindi identificare quali molecole sono state ossidate.

Per determinare la distanza della molecola bersaglio dalle altre molecole, i ricercatori ripetono gli esperimenti in condizioni leggermente diverse che influenzano la quantità e il tempo di sopravvivenza delle molecole di ossigeno reattivo. Tra queste, la durata dell'esposizione alla luce e la scelta del terreno di coltura in cui tenere le cellule. Più ossigeno reattivo viene prodotto localmente e più a lungo, più estesa è l'area in cui le molecole di superficie vengono etichettate.

Farmaci più mirati contro il cancro

Wollscheid e i suoi colleghi utilizzeranno ora la tecnologia per confrontare le cellule di individui sani con quelle di individui malati. "L'obiettivo è capire quali cambiamenti avvengono a livello cellulare nell'organizzazione delle proteine in una malattia, ad esempio quando una cellula sana degenera in una cellula cancerosa", spiega Wollscheid. Gli scienziati stanno creando una mappa di riferimento delle cellule sane. Vogliono poi utilizzarla per identificare le differenze nell'organizzazione delle comunità proteiche sulla superficie delle cellule in stato di malattia.

Sapere quali molecole si trovano accanto a quali sulla superficie delle cellule e come sono organizzate potrebbe essere importante per lo sviluppo di nuovi farmaci antitumorali, ad esempio. Nei moderni farmaci antitumorali, un agente che uccide le cellule è spesso abbinato a un anticorpo che riconosce una molecola di superficie abbondante sulle cellule tumorali. Le cellule cancerose vengono così uccise con un certo grado di specificità. Poiché molte di queste molecole di superficie tipiche del cancro sono presenti in concentrazioni minori anche nelle cellule sane, questi farmaci uccidono anche alcune cellule sane.

Se si scoprisse che due molecole sono presenti solo una accanto all'altra in una cellula degenerata, ma non in una cellula sana, sarebbe possibile sviluppare farmaci che riconoscano queste due molecole insieme. Il farmaco ucciderebbe quindi una cellula solo se entrambe le molecole sono presenti e si trovano l'una accanto all'altra. La nuova tecnologia fornisce proprio queste informazioni.

Ampie applicazioni

Nell'ambito dello studio, gli scienziati hanno anche dimostrato che il metodo può essere utilizzato non solo per indagare quali molecole della superficie cellulare sono vicine a quali. Hanno anche etichettato virus e farmaci con il piccolo composto chimico che produce ossigeno reattivo. Questo permette ai ricercatori di analizzare dove una molecola di virus o di farmaco si aggancia alla cellula. Chi siamo può anche utilizzare il metodo per indagare su quali comunità proteiche due cellule diverse utilizzano per interagire tra loro. Gli scienziati lo hanno dimostrato utilizzando l'esempio della comunicazione tra cellule immunitarie. "In questo modo, il nuovo metodo può aiutare a capire come funzionano i farmaci e come i virus o le cellule immunitarie riconoscono le altre cellule", spiega il dottorando Müller. "Il metodo è quindi di grande utilità per la ricerca nelle scuole universitarie e nell'industria".

Müller e Wollscheid hanno sviluppato e testato il nuovo metodo nell'ambito di una collaborazione interdisciplinare. Allo studio, pubblicato sulla rivista "Nature Communications", hanno partecipato i professori dell'ETH Martin Loessner, Annette Oxenius, Jeffrey Bode, Erick Carreira e Berend Snijder. Hanno partecipato anche ricercatori dell'Università di Zurigo, dell'Università del Michigan e di una società americana di sviluppo di farmaci. Gli scienziati hanno trasferito la nuova tecnologia a una società spin-off, che ora intende utilizzarla per sviluppare nuovi farmaci non solo contro singole proteine, ma contro intere comunità di proteine.