Tutti sappiamo che una delle caratteristiche delle cellule eucariotiche è la presenza di compartimenti, che, delimitati o meno da membrane, permettono di suddividere l’interno della cellula in ambienti chimici unici, dove si creano le condizioni adeguate per specifiche reazioni chimiche, per proteggersi da prodotti di reazione pericolosi (ad esempio, le specie reattive dell’ossigeno) e controllare i processi biochimici. Chi di noi non ricorda dai propri libri di scuola i mitocondri, il reticolo endoplasmatico (rugoso e non!), l’apparato di Golgi o il più famoso nucleo? Eppure, riuscire a mappare come una cellula sia organizzata internamente, dove si trovino con esattezza le sue proteine e come la loro distribuzione e abbondanza cambino al variare delle condizioni ambientali, rappresenta una sfida tuttora aperta. O almeno fino a questo momento.

Recentemente, infatti, un gruppo di scienziati del CZ Biohub di San Francisco, in collaborazione con l’Università di Stanford, l’Università della California e l’Università di Vienna, hanno pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Cell uno studio, liberamente accessibile online, che per la prima volta descrive una nuova strategia per fotografare l’organizzazione subcellulare delle proteine negli organelli. Il livello di dettaglio è senza precedenti: sono riusciti ad assegnare una posizione ad ognuna delle circa 10.000 proteine analizzate in cellule umane, prese come modello. Si tratta di uno studio innovativo di proteomica spaziale, che è stato addirittura indicato come metodo dell’anno dalla rivista Nature Methods.

Di che cosa si tratta? E come i ricercatori sono arrivati a svilupparlo?

Finora gli scienziati erano riusciti a tracciare gli spostamenti nelle cellule di gruppi limitati di proteine attraverso la microscopia, seguendone la posizione dopo aver agganciato alla proteina da analizzare delle “code” fluorescenti. Ma questo approccio è troppo complesso per riuscire a seguire contemporaneamente migliaia e migliaia di proteine. 

I ricercatori, allora, hanno cambiato punto di vista: anziché contrassegnare le proteine, hanno focalizzato la propria attenzione su 19 organelli, che di fatto rappresentano la totalità dei compartimenti cellulari, agganciando ad ognuno di essi un’etichetta molecolare univoca per poi risalire in un secondo momento alle proteine in essi contenute. Gli scienziati hanno fatto passare le cellule in piccolissimi capillari, così da romperle, mantenendo però inalterati gli organuli interni. A questo punto, impiegando degli anticorpi in grado di riconoscere in modo univoco ciascuna delle 19 etichette molecolari, hanno estratto i singoli organelli e ne hanno studiato il contenuto proteico attraverso la spettrometria di massa. Questo approccio ha consentito loro di caratterizzare la posizione di oltre 8.000 proteine uniche nei vari organuli cellulari.

Sono due i risultati significativi di questo studio: innanzitutto, questo metodo consente di discriminare proteine provenienti da compartimenti strettamente adiacenti (ad esempio, il Golgi e il trans-Golgi), che potrebbe essere difficile individuare con altri approcci sperimentali; in secondo luogo, permette di seguire il destino delle proteine in modo dinamico nel tempo. I ricercatori, infatti, hanno studiato cosa succede alle proteine, in termini di localizzazione ed abbondanza, a seguito dell’infezione delle cellule umane, utilizzate come modello, da parte di un virus che causa il raffreddore e hanno scoperto che molte cambiano posizione, altre aumentano o diminuiscono in numero, ma solo pochissime subiscono entrambi i tipi di cambiamenti. Conoscere la posizione di una proteina in un comparto cellulare in condizioni fisiologiche o meno, come sotto l’attacco di un virus o durante una malattia, è di fondamentale importanza poiché fornisce nuovi indizi rispetto ai meccanismi biologici in cui la proteina è coinvolta.

Sebbene questo studio rappresenti un passo avanti significativo, ancora molte sfide attendono gli scienziati: ad esempio questo approccio non è in grado di distinguere proteine di membrana da quelle presenti nel lume di organuli (come i mitocondri) e la mappa ottenuta potrebbe differire da quella ricavata da altri tipi cellulari. Probabilmente, saranno necessari approcci complementari ed integrati per riuscire a caratterizzare in modo completo l’architettura delle nostre cellule e ad assegnare ad ogni organello le sue proteine.