La membrana cellulare, composta principalmente da lipidi e proteine, svolge un ruolo fondamentale in tutte le cellule: non solo le delimita e protegge, determinandone la forma, ma regola anche gli scambi tra l’ambiente esterno e l’interno ed è coinvolta nella comunicazione cellulare. Di recente, grazie a uno studio liberamente accessibile e pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature, un gruppo di scienziati dell’Università di Ginevra, in collaborazione con ricercatori dell’Università di Friburgo e dell’Istituto di Biologia strutturale dell’Università di Grenoble, ha scoperto che precise aree della membrana plasmatica sono in grado di trasformare le sollecitazioni meccaniche in segnali biochimici per coordinare la risposta della cellula allo stress subito.

Che nelle membrane biologiche ci fossero dei microdomini funzionali, ovvero delle regioni contenenti proteine e lipidi specifici, era già noto da tempo, così come già era nota l’importanza per le cellule di creare delle compartimentalizzazioni specifiche per dirigere in modo ordinato nello spazio e nel tempo le risposte agli stimoli esterni (si pensi, ad esempio, alla trasduzione del segnale mediata dai recettori di membrana). Tuttavia, l’organizzazione strutturale di questi domini funzionali era in gran parte poco nota, a causa anche della difficoltà di studiare e visualizzare i lipidi senza modificarne la disposizione. 

Come gli scienziati sono giunti a questo risultato? E quali strategie hanno adottato per vincere la sfida di osservare a livello molecolare i microdomini funzionali e la loro risposta agli stimoli senza perturbare l’ambiente della membrana?

I ricercatori hanno utilizzato come organismo modello il lievito Saccharomyces cerevisiae, impiegato nei laboratori di tutto il mondo come modello di studio sia per la facilità di coltivazione in laboratorio e di manipolazione del DNA sia perché, essendo un eucariote, conserva molti dei processi biologici che si trovano anche negli organismi superiori. La scelta è caduta sul lievito S. cerevisiae anche perché erano già stati identificati almeno tre tipi di microdomini funzionali della membrana plasmatica, di cui uno, noto come eisosoma, coinvolto nella risposta allo stress meccanico e che, dunque, poteva fungere da modello di studio.

Per riuscire a studiare la struttura e la disposizione di lipidi e proteine dei microdomini, gli scienziati si sono avvalsi della crio-microscopia elettronica (crio-EM), una tecnica che, congelando i campioni da analizzare a temperature molto basse (si arriva anche ai -200°C), consente di intrappolare le molecole nella loro conformazione nativa e di studiarle senza introdurre perturbazioni nell’ambiente.

Gli scienziati, dunque, hanno isolato dalle membrane plasmatiche del lievito S. cerevisiae gli eisosomi, li hanno congelati per poi studiare con la crio-microscopia elettronica l’organizzazione di specifiche proteine e lipidi prima e dopo uno stress meccanico, arrivando a una risoluzione e dettaglio molecolare prima impensabili. In particolare, lo studio ha evidenziato che se si applica una forza di stiramento sugli eisosomi, la disposizione dei lipidi viene alterata: ciò consentirebbe il rilascio di molecole di segnalazione e di avviare meccanismi di risposta allo stress. In pratica, i ricercatori hanno evidenziato come un segnale fisico (stiramento) venga trasformato dalle cellule di lievito in un segnale biochimico (rilascio di sostanze dal dominio di membrana) in grado di attivare una risposta. 

Questo studio è rilevante sia dal punto di vista metodologico, poiché per la prima volta grazie alla crio-EM è stato possibile studiare il movimento di lipidi e di proteine nel loro contesto originario, sia perché getta una nuova luce sui meccanismi che consentono alle membrane plasmatiche di attivare vie di segnalazione intracellulari in risposta a stimoli esterni.