Le piante trascorrono la maggior parte della loro vita utilizzando la fotosintesi per produrre energia. Tuttavia, nella fase iniziale, dopo che un seme inizia a germogliare, non sono ancora in grado di catturare la luce. Durante questo breve ma cruciale periodo, dipendono dagli acidi grassi immagazzinati. Per scomporre questi acidi grassi, le cellule vegetali utilizzano una struttura specializzata nota come perossisoma, un compartimento delimitato da membrana presente anche nelle cellule umane. Grazie alle loro dimensioni e alla loro visibilità, le cellule vegetali rappresentano un sistema utile per studiare il funzionamento dei perossisomi.
“La pianta che utilizziamo, l’Arabidopsis, ha cellule e perossisomi di grandi dimensioni, talmente grandi che possiamo vederne l’interno con un microscopio ottico”, ha affermato Bonnie Bartel, professoressa di bioscienze titolare della cattedra Ralph e Dorothy Looney. “Il perossisoma si ingrandisce ulteriormente durante la fase di sviluppo dal seme alla piantina, quando la pianta si affida agli acidi grassi per ricavare energia, prima di tornare alle sue dimensioni normali una volta che la pianta è in grado di effettuare la fotosintesi.”
La proteina PEX11 contribuisce a controllare le dimensioni dei perossisomi.
Il team di Bartel si concentra su questi perossisomi ingranditi, in particolare su una proteina chiamata PEX11. Gli scienziati sanno da tempo che la PEX11 svolge un ruolo nella divisione dei perossisomi. In una nuova ricerca pubblicata su Nature Communications, il team ha scoperto che questa proteina contribuisce anche a controllare l’espansione e la contrazione dei perossisomi durante le prime fasi dello sviluppo della pianta.
“I perossisomi sono implicati in alcune malattie umane e vengono utilizzati nella bioingegneria”, ha affermato Nathan Tharp, primo autore dell’articolo e studente di dottorato alla Rice University. “Tuttavia, il loro studio può risultare piuttosto complesso.”
Utilizzo di CRISPR per studiare una proteina complessa
Una strategia comune per comprendere una proteina consiste nel disattivare il gene responsabile della sua produzione e osservarne gli effetti. In questo caso, la situazione era più complessa. La proteina PEX11 è prodotta da cinque geni diversi. Disattivarne anche solo uno aveva scarso effetto, ma rimuoverli tutti e cinque causava la morte della pianta.
Ciò rendeva difficile individuare con precisione la funzione della proteina.
Per ovviare a questo problema, Tharp ha utilizzato tecniche CRISPR avanzate per disattivare selettivamente diverse combinazioni dei cinque geni. “Sono riuscito a utilizzare i recenti progressi nella tecnologia CRISPR per intervenire e interrompere specifiche combinazioni dei cinque geni”, ha affermato Tharp, che ha recentemente discusso la sua tesi. “Solo allora siamo stati in grado di vedere che PEX11 è chiaramente coinvolto nel controllo della crescita del perossisoma durante la fase di sviluppo dal seme alla piantina.”
I perossisomi giganti rivelano il meccanismo di controllo della crescita
Tharp ha creato due tipi di piante mutanti, ciascuna priva di una specifica serie di geni PEX11. In entrambi i casi, i perossisomi si sono espansi durante la fase di sviluppo dal seme alla piantina, come previsto. Tuttavia, invece di ridursi alle loro dimensioni normali, alcuni hanno continuato a crescere ben oltre i limiti normali. In casi estremi, i perossisomi si estendevano da un’estremità all’altra della cellula.
Queste cellule mutanti erano inoltre prive di vescicole, piccoli compartimenti delimitati da membrana che si formano tipicamente all’interno del perossisoma durante il metabolismo degli acidi grassi. In condizioni normali, queste vescicole si sviluppano man mano che il perossisoma cresce e sembrano rimuovere porzioni della sua membrana esterna.
“Le vescicole che assorbono frammenti di membrana durante la loro formazione potrebbero contribuire a controllare la crescita dei perossisomi”, ha affermato Tharp. “Nei nostri mutanti PEX11, queste vescicole o non si formano o sono anormalmente piccole e rare, e quindi osserviamo perossisomi enormi, molto più grandi del normale.”
I risultati si estendono dalle piante ad altre specie.
Sebbene la ricerca si concentrasse sulle piante, Tharp voleva sapere se lo stesso meccanismo potesse esistere anche in altri organismi. Per verificare questa ipotesi, ha introdotto la versione del lievito della proteina, chiamata Pex11, nelle cellule vegetali mutanti.
“Abbiamo introdotto la proteina Pex11 del lievito nelle cellule delle nostre piante mutanti per verificare se fosse in grado di riportare i perossisomi alla normalità”, ha affermato Tharp. “E ci è riuscito.”
Questo risultato suggerisce che Pex11 svolga una funzione simile nei lieviti e nelle piante, nonostante la grande distanza evolutiva che li separa. Per questo motivo, la proteina potrebbe svolgere un ruolo analogo anche in altri tipi di cellule, comprese quelle umane.
“La scoperta che questa proteina svolge lo stesso ruolo nelle cellule di lievito e in quelle vegetali suggerisce che potrebbe trattarsi di una proteina altamente conservata”, ha affermato Bartel. “I nostri risultati ottenuti nelle piante, in questo modello relativamente facile da studiare, potrebbero quindi essere applicabili alle cellule umane e alle cellule utilizzate per la bioingegneria.”
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