Le proteine rare collassano prima

Rompete un uovo, lo ammettete in una padella calda e quasi immediatamente l'albume trasparente e appiccicoso diventa bianco e solido. Quello che si osserva casualmente quando si friggono le uova è un importante fenomeno biochimico: la denaturazione delle proteine.

Le proteine sono prodotte nella cellula sotto forma di molecole filiformi, che vengono poi raggruppate insieme per formare una forma specifica della proteina: Alcune sono globulari, altre tubolari. Queste forme si disintegrano durante la denaturazione. Le proteine tornano a essere filamentose e quindi perdono anche le loro funzioni.

Denaturazione in un colpo solo?

Sulla base di analisi computerizzate, in precedenza le ricerche avevano ipotizzato che la maggior parte delle proteine di una cellula si denaturasse quando veniva superato lo stretto intervallo di temperatura in cui le proteine funzionano in modo ottimale. Nel caso del batterio intestinale E. coli la temperatura ottimale di funzionamento è di circa 37 gradi Celsius, oltre i 46 gradi i batteri muoiono perché le forme delle loro proteine si rompono.

Un team di ricercatori guidato da Paola Picotti, professoressa assistente di biochimica all'ETH di Zurigo, sta ora ribaltando questo principio. In uno studio appena pubblicato sulla rivista "Science", i ricercatori dimostrano che quando viene raggiunta una soglia critica di temperatura, solo una piccola parte delle proteine chiave si denatura contemporaneamente.

Nel loro studio - il più completo mai condotto su questo tema - hanno analizzato e confrontato l'insieme di tutte le proteine, il cosiddetto proteoma, di quattro organismi a diverse temperature. I ricercatori hanno utilizzato il batterio intestinale E. coli,cellule umane, cellule di lievito e un batterio resistente al calore T. thermophilusI ricercatori hanno aumentato gradualmente le temperature fino a 76 gradi. Dopo ogni passaggio di temperatura, gli scienziati hanno misurato tutte le proteine presenti nelle cellule e ne hanno determinato la struttura. In totale, i ricercatori hanno analizzato 8000 proteine diverse.

i componenti chiave decadono per primi

"Grazie a queste indagini, possiamo ora dimostrare che solo alcune proteine collassano a temperature alle quali gli organismi muoiono", dice Picotti. "Non siamo riusciti a confermare la previsione secondo cui la maggior parte delle proteine di un organismo si denatura contemporaneamente".

Circa 80 delle proteine analizzate si disintegravano quando la temperatura superava di pochi gradi l'optimum specifico della specie. Sebbene costituiscano solo una piccola parte delle proteine presenti in una cellula, ciò è fatale per la cellula stessa, poiché alcuni di questi tipi di proteine svolgono funzioni vitali o sono componenti chiave centrali in una grande rete proteica. "Non appena questi componenti chiave vengono meno, la cellula non può più sopravvivere", spiega Picotti.

La flessibilità può rendere instabili

A prima vista, il fatto che i componenti chiave di un sistema biologico siano sensibili al calore sembra essere un errore evolutivo. Tuttavia, queste proteine sono instabili grazie alla loro flessibilità, che consente loro di svolgere una serie di compiti nella cellula, spiega il biochimico. "Flessibilità e stabilità possono escludersi a vicenda. La cellula deve trovare un compromesso".

I ricercatori hanno anche dimostrato che le proteine più stabili e meno suscettibili di raggruppamento o ripiegamento anomalo sono anche le più abbondanti nelle cellule. Dal punto di vista della cellula, questo ha senso. Se fosse il contrario e le proteine più abbondanti fossero le più veloci ad adottare strutture anomale, la cellula dovrebbe investire molte energie per ricostruirle o eliminarle. Le cellule fanno quindi in modo che le proteine comuni siano più stabili di quelle rare.

Ma perché il batterio può T. thermophilus anche a temperature di Chi siamo? Secondo il ricercatore, queste cellule preferiscono stabilizzare le proteine più sensibili al calore che sono essenziali per la funzione, tra l'altro adattando le sequenze proteiche.

Batteri tolleranti al calore per i processi industriali

Le scoperte di Picotti potrebbero aiutare a modificare geneticamente gli organismi in modo che possano resistere a temperature più elevate. Alcune sostanze chimiche, come l'etanolo, vengono già prodotte biotecnologicamente con l'aiuto di batteri. Questi batteri spesso funzionano solo in una finestra di temperatura ristretta, il che limita la resa. Se la produzione potesse avvenire a temperature più elevate, la resa potrebbe essere ottimizzata senza danneggiare i batteri.

I ricercatori hanno anche trovato prove del fatto che alcune proteine denaturate tendono a raggrupparsi nuovamente e a formare aggregati a temperature ancora più elevate. Nelle cellule umane, Picotti e colleghi hanno trovato la proteina DNMT1, che prima si denatura con l'aumentare del calore e poi si aggrega con i suoi simili. Questa e altre proteine con proprietà simili sono associate a malattie neurologiche come l'Alzheimer e il Parkinson.

Primo studio completo sulla stabilità

Questo studio è il primo a indagare la stabilità al calore di proteine provenienti da diversi organismi e su larga scala direttamente nella complessa matrice cellulare. Le proteine non sono state né isolate dalla linfa cellulare né purificate per le misurazioni. I ricercatori hanno aperto le cellule per le loro indagini e poi hanno misurato la stabilità di tutte le proteine direttamente nella linfa cellulare a diverse temperature.