Dalle piante all’uomo: il modello matematico per comprendere il differenziamento delle cellule staminali umane

I meccanismi rigenerativi delle piante 

Studiare in laboratorio i meccanismi rigenerativi delle piante, capaci di produrre continuamente nuovi “organi” come radici, foglie e fiori, è particolarmente utile per raccogliere preziose informazioni anche sulla fisiologia umana.

Questo è stato il punto di partenza del gruppo di ricerca diretto da Sabrina Sabatini della Sapienza di Roma, che nel corso di una serie di esperimenti durati 4 anni ha individuato il meccanismo molecolare che attiva il processo di “trasformazione” di una cellula staminale vegetale in una cellula specializzata.

 Il modello matematico

I ricercatori hanno messo a punto un modello matematico della radice in grado di riprodurre in modo fedelissimo il comportamento di questo “organo”. Attraverso simulazioni al computer, sono riusciti a ottenere previsioni precise sullo sviluppo della radice a variazioni di determinati parametri genetici e fisiologici: questo ha permesso di ricavare informazioni che avrebbero richiesto esperimenti lunghi, dispendiosi se non impossibili da attuare.

Cos’è l’auxina?

 Nella ricerca, gli scienziati si sono concentrati in particolare sull’auxina, una sostanza che, governando lo sviluppo dei tessuti, è in grado di stimolare la crescita delle piante e pertanto viene definita morfogeno.

In passato era già stato individuato l’importante ruolo dell’auxina nella divisione cellulare; quello che invece ancora non si sapeva era la distribuzione e il minimo di concentrazione di auxina necessarie per indurre il differenziamento cellulare.

La scoperta

Il nuovo modello sviluppato da Sabatini e colleghi ha permesso di far luce proprio su questo aspetto: gli scienziati hanno scoperto il meccanismo molecolare in base al quale la distribuzione della concentrazione di auxina determina il punto in cui le cellule staminali invece di dividersi, replicandosi, si differenziano, specializzandosi. La radice è così in grado di cambiare le sue dimensioni per adattarsi alle diverse necessità imposte dall’ambiente. La scoperta è stata poi confermata da esperimenti in vivo. 

In biomedicina, uno dei primi modelli matematici è stato sviluppato sul cuore: nel 1928 il fisico olandese Balthasar van der Pol ha ricostruito il battito cardiaco grazie a un elettrocardiogramma artificiale, che gli ha permesso di riprodurre e studiare alcuni disturbi.

Le considerazioni

“Abbiamo fatto un’operazione simile per analizzare le piante – spiega Sabatini – arrivando però ad un altissimo livello di precisione. Il nostro modello infatti riproduce in maniera fedelissima la struttura di una radice, tenendo conto della sua stessa geometria e di ogni singola cellula che la compone.”

 Come nelle piante, anche nell’uomo esiste un morfogeno fondamentale per la crescita: si tratta dell’acido retinoico. L’auxina può essere considerata il corrispondente vegetale dell’acido retinoico. Modelli simili potrebbero aiutare a capire come la distribuzione di queste sostanze controlla la crescita e la funzione di uno specifico organo.

Le conclusioni 

“Ancora non è stato verificato se esista una soglia minima di morfogeno per le cellule umane, come abbiamo fatto noi per le cellule vegetali. Studiare questo aspetto potrebbe aiutare a capire meglio come avviene il differenziamento delle staminali umane” conclude Sabatini.

Fonti: 

Sapienza – Università di Roma

Di Mambro R. et all., Auxin minimum triggers the developmental switch from cell division to cell differentiation in the Arabidopsis root. Proceedings of the National Academy of Sciences 2017 Sep 5.