Neanche una “nanotuta” protegge la Drosophila dalla microgravità

(Photocredit: Gilbert, D.G., 2007. DroSpeGe: rapid access database for new Drosophila species genomes. Nucleic Acids Research, Vol. 35: doi:10.1093/nar/gkl997).

L’anno scorso avevamo lasciato la nostra Drosophila melanogaster alle prese con una nanotuta per proteggersi dal vuoto. Ora, un team di ricercatori dell’Università Davis (California) si è chiesto quali possono essere gli effetti della microgravità sul sistema immunitario di questi piccoli insetti, mostrando che le condizioni nello spazio possono essere dannose per la loro risposta immunitaria. Andiamo con ordine. 

Cominciamo con la nanotuta. Il microscopio elettronico a scansione ed emissione di campo (SEM) è un potente strumento che permette di studiare in dettaglio le strutture di superficie dei microrganismi. C’è solo un problema: le condizioni di vuoto necessarie per condurre le osservazioni uccidono inevitabilmente tutti i campioni. Questa estate, un gruppo di ricerca coordinato da Takahiko Hariyama, della Hamamatsu University School of Medicine, è riuscito a creare delle nanotute per proteggere questi organismi, bombardandoli con raggi di elettroni e plasma. Nell’articolo pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, gli studiosi spiegano che queste nanotute riescono a proteggere bene gli organismi dall’esposizione al vuoto in modo che possano essere studiati anche con i SEM.

Perché il vuoto è un problema? I microrganismi si disidratano molto velocemente, collassano e muoiono; ovviamente questo rende molto arduo osservare  strutture organiche complesse durante il loro funzionamento. Il team di ricercatori ha innanzitutto testato il tempo di sopravvivenza medio degli organismi all’interno dei SEM (che è risultato essere un lasso di tempo molto breve). Alcuni ricercatori hanno cercato di modificare il disegno del SEM in modo da aggirare il problema utilizzando livelli di vuoto meno spinto, ottenendo però immagini con risoluzione decisamente inferiore al normale. La criticità è stata risolta in un altro modo.

(A-D) Larve vive di drosophila (moscerini della frutta) mentre esposti al vuoto con l’irradiamento elettronico per 60 min. (F-G) Prima delle osservazioni SEM, una larva diversa senza la luce elettronica (60 minuti). (H-I) organismo collassa completamente. Ogni piccolo quadrato bianco in C e H viene mostrato in maniera amplificata in D ed I. E-J sono immagini TEM di sezioni animali. Lo strato tra le frecce indica la membrana esterna che fa da nanotuta. Credit: (c) 2013 PNAS, doi: 10.1073/pnas.1221341110.

L’esperimento con le nanotute. Contrariamente ad ogni aspettativa, le larve del moscerino della frutta (la Drosophila melanogaster) riescono a muoversi per un’ora intera all’interno del SEM prima di morire. Il campione è posto in una camera in cui viene applicato un vuoto molto spinto (si parla di pressioni comprese tra il decimo di milionesimo e la decina di milionesimi di pascal): queste pressioni ridottissime sono necessarie affinché il fascio di elettroni che deve incidere sul campione non incontri molecole di aria sul suo percorso. In dettaglio, i ricercatori hanno scoperto che il trattamento con la radiazione ad elettroni agiva sulla ECS, che è una sostanza appiccicosa extracellulare che normalmente copre le larve, polarizzandola e creando uno strato superficiale spesso da 50 a 100 nm. Ecco la nanotuta: uno strato spesso da 1.000 a 2.000 volte meno di un capello umano. Questa microtuta, mentre era ancora abbastanza flessibile da permettere alla larva di spostarsi, riusciva comunque a proteggere l’organismo dal vuoto, tenendolo al sicuro dalla deidratazione e garantendogli la sopravvivenza.

Gli scienziati sono riusciti a capire come usare non solo gli elettroni ma anche un raggio di plasma con l’obiettivo di creare tute simili ma più resistenti, capaci di proteggere non soltanto le larve di Drosophila melanogaster ma anche tanti altri organismi: sono riusciti così a creare nanotute protettive anche per zanzare. Questo è stato possibile usando anche una sostanza chiamata Tween 20, un composto chimico non tossico comunemente presente nei detergenti (il Tween 20 veniva prodotto insieme al plasma). Il risultato ottenuto fa intravedere importanti ricadute in vari campi. In microbiologia permetterà di superare alcune difficoltà che oggi si incontrano nell’ottenere di immagini di strutture biologiche. Infatti, la maggior parte degli organismi pluricellulari è in grado di sopravvivere solo in condizioni di pressione atmosferica: una pressione molto inferiore a quella normale determina immediatamente l’evaporazione di tutta l’acqua presente nell’organismo, uccidendolo e compromettendone del tutto l’integrità strutturale. Dato che il plasma e gli elettroni energetici esistono comunemente in tutto l’universo, non è escluso che si possano condurre studi sulla sopravvivenza dei microrganismi anche in condizioni di vuoto nello spazio.

Veniamo ora all’esperimento appena effettuato. Questi insetti condividono alcuni tratti fondamentali del sistema immunitario con diversi mammiferi, come il topo e persino l’uomo. Grazie ai fondi ricevuti dalla NASA, i ricercatori hanno fatto partire alcune uova di Drosophila a bordo dello Space Shuttle Discovery, in una missione di ben 12 giorni. Gli insetti impiegano circa 10 giorni a svilupparsi in adulti: una volta tornati sulla Terra gli scienziati della Davis, guidati dalla ricercatrice del Dipartimento di Biologia Cellulare e Molecolare Deborah Kimbrell, hanno osservato gli effetti della microgravità applicati su un arco di tempo congruo.

La risposta immunitaria delle Drosophila è stata studiata in riferimento a due infezioni: un fungo, che di solito gli insetti combattono attraverso un canale mediato dai recettori di tipo Toll (una classe di recettori implicati soprattutto nell’immunità innata), e un batterio a cui invece gli insetti resistono grazie a un gene, l’IMD (immunodeficienza). Il punto significativo è che entrambi questi recettori hanno una controparte nell’uomo, come negli altri mammiferi. L’analisi degli insetti cresciuti nello spazio ha rilevato che mentre la risposta attraverso il canale IMD era adeguata, i canali Toll risultavano “non funzionali”. Come se non bastasse, durante alcuni esperimenti effettuati sulla Terra ma in condizioni diametralmente opposte a quelle dello spazio, ossia di ipergravità, la resistenza degli insetti al fungo risultava migliorata. Questo implica che i recettori Toll funzionavano addirittura meglio che in condizioni normali.

Esiste dunque un legame tra gravità e resistenza immunitaria. Purtroppo non si è ancora capito come mai la microgravità danneggia il sistema immunitario. le ipotesi spaziano dallo stress psicologico al cattivo funzionamento delle proteine che si trovano nelle zone funzionali per i canali Toll. Non resta che attendere ulteriori conferme per comprendere non solo il “come” ma anche il “perché”.

Paper di riferimento:  K. Taylor et alii.,  “Toll Mediated Infection Response Is Altered by Gravity and Spaceflight in Drosophila“, in PLOS ONE, January 24, 2014: DOI: 10.1371/journal.pone.0086485.

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...