Nel blu dipinto di verde: la medusa biotech

Questo articolo si è classificato quarto a pari merito al 51° carnevale della fisica!

In natura, alcuni esseri viventi hanno la capacità di liberare una luce, per i più diversi scopi: questo fenomeno si chiama bioluminescenza [1][2][3]. Insetti, come le lucciole (Luciola italica) [4], o pesci, come il diavolo nero degli abissi (Melanocetus johnsonii) [5], sono esempi noti a molti, e i motivi chimici ed evoluzionistici  per cui ciò avviene sono molteplici e affascinanti [6]. Ma (almeno per questa volta) non vi spiegherò i dettagli, in quanto ci perderemmo nello studio dell’argomento, dimenticandoci anche il motivo stesso per cui lo stavamo facendo e uscendone più o meno con questa faccia.

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IN CHE ANNO SIAMO?

Questa volta vi parlerò di un animale particolare, di una medusa il cui nome sembra uno scioglilingua: Aequorea victoria.

Ma prima ancora, c’è bisogno di tenere a mente una semplice nozione di fisica. La luce visibile è un’onda elettromagnetica. Una delle caratteristiche delle onde elettromagnetiche è la frequenza, o anche lunghezza d’onda (misurata in nanometri), che a sua volta ci dice quanta energia viene portata dall’onda. A frequenze più alte, l’energia è maggiore e viceversa. Il massimo dell’energia è portato dai raggi gamma, seguiti dai raggi X e dagli ultravioletti. Le frequenze più basse sono occupate dalle onde radio, seguite dalle microonde e dagli infrarossi. La luce visibile occupa una posizione intermedia.

spettro

Ciascun colore che la compone corrisponde a una lunghezza d’onda differente nella porzione del visibile, il rosso alle frequenze più basse e il blu-violetto a quelle più alte [7]. Per la precisione, è il nostro cervello a interpretare le diverse lunghezze d’onda come colori.

Per fortuna la storia della musica ci aiuta non poco in questa spiegazione:

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Prisma prisma delle mie brame, qual è il colore più bello del reame?

La suddetta medusa vive nelle profondità oceaniche ed emana una luce verde: il risultato è (nel migliore dei casi) il seguente [8]:

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Ciò è possibile grazie alla sintesi di una particolare molecola da parte della medusa, chiamata celenterazina. Un’altra molecola, l’enzima apoaequorina, è in grado in presenza di calcio di far avvenire una reazione chimica con cui la celenterazina si modifica (ossidazione), liberando una luce a una lunghezza d’onda (da 465 a 480 nm) che nello spettro visibile corrisponde per il nostro cervello al blu [9]. Ok, ma il blu è diverso dal verde, come evidente da questo vestito:

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Come noto, gli abiti non mentono mai sul colore.

Interviene infatti un’altra proteina, chiamata GFP (Green Fluorescent Protein), in grado di assorbire questa luce blu ed emetterne una verde, alla lunghezza d’onda di 506 nm circa, senza la necessità di nessun’altra molecola [10]. Come è possibile?

Questa proteina ha una struttura particolare, ovvero la forma di un barile cavo. All’interno è presente una specie di trespolo composto da tre particolari amminoacidi (chiamati serina, tirosina e glicina) in grado di compiere questo passaggio da una luce all’altra. Questa porzione viene chiamata in biochimica fluorocromo, proprio perchè in grado di emettere una luce.

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Steel jellyfish: scultura rappresentate la struttura della GFP, presso il centro di ricerca dove è stata scoperta, negli Stati Uniti. Credits: Julianva

Una volta isolato il gene responsabile della produzione di questa proteina, grazie all’ingegneria genetica, è possibile sbizzarrirsi, ottenendo molteplici applicazioni biotecnologiche. Anche in altri organismi la GFP è infatti in grado di emettere luce verde, quando colpita da luce blu (e anche ultravioletta). Per la ricerca di base, per esempio, è possibile studiare il comportamento di un gene valutando l’intensità della luce emessa. Per far ciò si sfrutta un piccolo pezzettino di quel gene che funge da “interruttore” per il suo funzionamento, il cosiddetto promotore, e si inserisce la parte di DNA responsabile della sintesi della GFP di modo che ne sia sotto controllo anch’essa.

La GFP può anche essere letteralmente “fusa” con altre proteine, mediante l’inserimento consecutivo del proprio gene con quello di un’altra proteina, mantenendo comunque la propria luminosità.

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In termini tecnici in biologia molecolare si dice che una proteina viene “taggata” con la GFP. Al contrario di quanto avviene su Facebook, normalmente il tag, ovvero la GFP, non può rimuoversi spontaneamente. Le applicazioni sono tantissime, alcune delle quali particolarmente curiose e interessanti [11]. Per esempio ponendo la GFP sotto il controllo del promotore dell’acrosina, una proteina degli spermatozoi, è possibile ottenere sperma fluorescente [12]Che schifo penserete, ma in questo modo è possibile studiare live il movimento degli spermatozoi [13].

Sempre in ambito medico, la GFP può essere molto utile per lo studio dei tumori e del loro sviluppo. Per esempio, l’inserimento di tumori umani portanti particolari proteine taggate con la GFP  in modelli animali (come il topo) permette di visualizzare il posizionamento delle cellule tumorali, di metastasi e valutare eventuale origine e cambiamenti nelle dimensioni della massa tumorale [14][15][16][17][18]. In questo modo è possibile anche ridurre il numero di animali utilizzati per la ricerca oncologica, permettendo un’analisi con la cavia ancora in vita, e rimpiazzarne in quantità sempre maggiori [19][20].

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Ehi ma i due topi a lato sono fluorescenti!

 

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Topo in cui viene visualizzato in vivo lo sviluppo di un linfoma [21].

Sempre parlando di animali, è possibile ottenere anche pesci transgenici fluorescenti, tali da emettere luce verde solo in presenza di una determinata sostanza, per esempio un inquinante, fungendo quindi da biosensori [22][23]. Pesci fluorescenti (anche di altri colori) sono venduti anche per puri fini commerciali, come fa ad esempio un’azienda americana [24].

Gli animali, come gli altri organismi transgenici fluorescenti ottenuti in questa maniera (es. batteri, lieviti, piante), non risentono minimamente di questa modificazione. Ovviamente in natura non sopravviverebbero, in quanto potrebbero risultare più visibili ai predatori (solo se colpiti da luce verde o ultravioletta, alla luce solare “normale” la GFP non fluoresce).

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Un’applicazione molto curiosa è quella della sintesi di un filo di seta fluorescente, con cui è stato tessuto un abito da sposa, a sua volta fluorescente [24].

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Come detto in precedenza esistono anche proteine fluorescenti in grado di emette altri colori: alcune sono completamente diverse dalla GFP, altre invece derivano dall’ingegneria e dalla modificazione della GFP stessa: per scoprirle dovrete aspettare la prossima puntata.

Nel mentre vi do solo un indizio… Acchiappateli tutti!

A cura di Stefano Bertacchi

Note:

[1] http://ngm.nationalgeographic.com/2015/03/luminous-life/judson-text

[2] http://www.biologiamarina.eu/BIOLUMINESCENZA_1.html

[3] http://www.biologiamarina.eu/BIOLUMINESCENZA_2.html

[4] http://www.ilmattino.it/primopiano/esteri/video_lo_spettacolo_di_migliaia_di_lucciole_visto_al_rallentatore/notizie/619665.shtml

[5] http://www.rainews.it/dl/rainews/articoli/Le-prime-immagini-del-pesce-degli-abissi-conosciuto-come-diavolo-nero-4e7dad64-bdec-4d09-8a6c-825d1ac366b0.html

[6] http://news.nationalgeographic.com/news/2015/02/150213-why-some-living-things-glow-in-the-dark/

[7] http://www.oilproject.org/lezione/luce-lunghezza-frequenza-onda-fotoni-legge-planck-boltzmann-4035.html

[8] http://lem.ch.unito.it/didattica/infochimica/2008_GFP/estrazione.html

[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Aequorin

[10] http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/GFP-1.htm

[11] http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/cooluses0.html

[12] http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/cooluses6.html

[13] https://www.youtube.com/watch?v=du3YaC11Iwo

[14] http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/cooluses1.html

[15] http://www.nature.com/cdd/journal/v9/n8/full/4401077a.html

[16] http://www.thelancet.com/journals/lanonc/article/PIIS1470-2045(02)00848-3/abstract

[17] http://www.sciencedaily.com/releases/2010/11/101103083906.htm

[18] http://www.livescience.com/16752-gfp-protein-fluorescent-nih-nigms.html

[19] http://www.animalresearch.info/it/progettazione-della-ricerca/alternative-e-la-regola-delle-3r/

[20] http://www.treccani.it/enciclopedia/sperimentazione-animale-e-principio-delle-3r_(XXI_Secolo)/

[21] https://biology.mit.edu/people/michael_hemann

[22] http://www.terrapub.co.jp/onlineproceedings/ec/06/pdf/PR607.pdf

[23] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11083105

[24] http://www.wired.com/2013/06/colorful-fluorescent-silk/

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