In ogni cellula è fondamentale che non solo la concentrazione e l’attività, ma anche la localizzazione di ognuna delle migliaia di specie proteiche presenti, sia finemente controllata. Molte proteine, per esempio, devono essere localizzate sulla membrana plasmatica, il sofisticato involucro che delimita ogni cellula e ne garantisce l’identità spaziale e funzionale. Altre proteine devono essere secrete nell’ambiente esterno alla cellula, dove possono funzionare come componenti della matrice extracellulare, oppure come ormoni o neurotrasmettitori, questi ultimi fondamentali per la comunicazione fra le cellule del sistema nervoso.
E ancora, vi sono proteine che, per svolgere la loro funzione, devono essere localizzate in uno degli organelli che insieme formano l’intricato sistema di compartimentazione interna delle cellule: reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, lisosomi, nucleo…
Come può ognuna delle migliaia di macromolecole proteiche sintetizzate ogni minuto nel citoplasma cellulare essere incanalata nella giusta direzione, raggiungere la destinazione corretta in modo preciso ed efficiente? E come può la secrezione di proteine da parte delle cellule, così importante per la generazione di funzioni integrate negli organismi pluricellulari, essere regolata in modo preciso nello spazio e nel tempo?
Il premio Nobel per la Fisiologia o Medicina è stato assegnato quest’anno a tre scienziati che, studiando sistemi biologici diversi con approcci complementari, hanno svelato i meccanismi molecolari che stanno alla base di un fenomeno così sorprendente come il traffico intracellulare di proteine.
Era già noto da vari decenni che tale traffico fosse basato sull’impiego di una moltitudine di vescicole di trasporto intracellulare, che connettono fra di loro il reticolo endoplasmatico, l’apparato del Golgi, i lisosomi e la membrana plasmatica. Per la scoperta dell’esistenza di una via secretoria e del traffico vescicolare era già stato assegnato nel 1974 il Premio Nobel per la Medicina a un altro trio: Albert Claude, Christian de Duve e George E. Palade.
I nuovi studi che oggi vengono premiati sono stati determinanti per la comprensione di come alcune classi di proteine, che popolano le membrane delle vescicole e quelle degli organelli di destinazione, costituiscano nell’insieme un raffinato sistema di riconoscimento che permette il dipanarsi efficiente e perfettamente controllato delle diverse vie di smistamento intracellulare.
I tre scienziati sono stati impegnati per decenni su fronti fra loro diversi. L’americano Randy Sheckman – attualmente docente all’università californiana di Berkeley – ha utilizzato un sistema modello potentissimo (anche se purtroppo sempre più trascurato dagli enti di finanziamento alla ricerca): il lievito di birra,Saccharomyces cerevisiae, la cui organizzazione cellulare è nota basarsi su principi e componenti che sono comuni a quelli di tutte le altre cellule eucariotiche, incluse le cellule umane. Sfruttando la possibilità di selezionare in modo sistematico ceppi mutanti nelle diverse tappe del traffico vescicolare, Sheckman ha isolato i geni codificanti per i componenti proteici fondamentali coinvolti in questo processo.
Seguendo un approccio diverso, basato sull’utilizzo ingegnoso di sistemi acellulari, o “cell-free”, parzialmente purificati e ricostituiti a partire dal citoplasma di cellule di mammifero, James Rothman – anch’egli statunitense e attualmente docente a Yale – è riuscito nell’impresa di riprodurre e studiare in provetta singole tappe del traffico vescicolare e di isolare per via biochimica numerosi componenti proteici fondamentali: quali per esempio la famiglia di proteine denominate SNAREs, che garantiscono la specificità del riconoscimento fra le vescicole e le membrane bersaglio, nonché la fusione delle membrane, che costituisce l’evento cruciale e conclusivo del processo di indirizzamento.
Il tedesco Thomas Südhof – che però insegna in California a Stanford – il cui interesse era incentrato sul rilascio di neurotrasmettitori a livello dei terminali delle cellule nervose che costituiscono le sinapsi, è riuscito con i suoi studi a svelare i meccanismi molecolari attraverso i quali le vescicole trasportatrici di neurotrasmettitori, generate secondo le vie messe in luce dai lavori di Sheckman e di Rothman, riescono a fondersi con la membrana pre-sinaptica, e a rilasciare il loro contenuto nello spazio sinaptico, in modo strettamente controllato dall’impulso nervoso.
L’assegnazione del premio mette in evidenza un tema ricorrente nei successi della moderna biologia sperimentale: come la combinazione di approcci tipici della genetica, della biochimica e della biologia cellulare convergano nel definire, spesso con insperata precisione, le transizioni e le interazioni macromolecolari che stanno al cuore di processi fondamentali della fisiologia cellulare. Quasi inevitabilmente, queste scoperte hanno un impatto enorme sulla comprensione delle alterazioni molecolari che stanno alla base di importanti patologie umane, e rendono possibile l’esplorazione di nuove strategie terapeutiche altrimenti impensabili.
