Coltivare le alghe per studiare le ciliopatie umane

La soluzione verde che “bolle” nella Chlamy farm, all’interno della omonima stanza al piano terra dell’Incubator 1 nel campus di Human Technopole, è una miscela di acqua, sali e alghe. Fa parte di una coltura di oltre 60 litri di Chlamydomonas reinhardtii (in seguito denominata Chlamy), una specie di alga utilizzata per studiare la biologia delle ciglia, degli organelli che si estendono dalla superficie delle cellule eucariotiche e che sono di fondamentale importanza per la salute dell’uomo. Le ciglia sono presenti in molti organi e tessuti e le disfunzioni ciliari causano malattie chiamate ciliopatie che possono colpire i reni, il fegato, il cervello, il cuore, la retina, il pancreas e il sistema riproduttivo e respiratorio.

Lo studio delle ciglia e delle disfunzioni ciliari nella patologia umana è l’obiettivo principale del Pigino Group nello Structural Biology Centre di Human Technopole, dove gli scienziati studiano la struttura e i meccanismi molecolari di questo organello. Le ciglia possono avere funzioni sia sensoriali che motili, fondamentali fin dalle primissime fasi dello sviluppo embrionale, quando coordinano la tipica asimmetria sinistra/destra del corpo dei vertebrati. Successivamente, le ciglia consentono il corretto sviluppo e la funzione di specifici tessuti e organi. Infine, le ciglia sensoriali ci permettono di percepire l’ambiente che ci circonda: vediamo grazie al ciglio di collegamento dei fotorecettori nella nostra retina, annusiamo attraverso le ciglia sensoriali all’estremità dei nostri neuroni olfattivi e ascoltiamo grazie al kinocilium delle nostre cellule ciliate sensoriali. Le ciglia motili, che hanno anche funzioni sensoriali, funzionano come estensioni simili a un’elica che ci permettono di respirare, mantenendo puliti i nostri polmoni, di riprodurci, spingendo gli spermatozoi e persino di pensare, perché contribuiscono al flusso del liquido cerebrospinale in i nostri ventricoli cerebrali.

Poiché sia la struttura che la funzione delle ciglia sono mantenute dalle alghe all’uomo, il Pigino Group utilizza la Chlamy come organismo modello, potendone coltivare grandi quantità in modo conveniente. E’ anche possibile modificare il genoma delle alghe per creare ceppi adatti agli esperimenti. Ad esempio, si possono aggiungere piccoli tag alle proteine delle Chlamy per ritrovarle fuori dalla cellula, o piccole sonde fluorescenti per seguirle al microscopio.

Ora, torniamo alla soluzione verde nella Chlamy farm. La coltura è un processo che dura circa due settimane e termina con l’isolamento di un complesso proteico che fa parte dei treni IFT (Intra-Flagellar Transport), macchinari molecolari essenziali per la biogenesi delle ciglia. I treni IFT, analogamente ai treni reali, muovono verso l’alto e verso il basso le ciglia scorrendo su microtubuli che sono i binari ferroviari del ciglio. I treni IFT trasportano i mattoni del ciglio dalla base verso l’alto fino alla punta del ciglio e poi tornano alla base per ricaricare e ricominciare un altro viaggio. I treni IFT trasportano anche molecole di segnalazione che vengono rilasciate dalla punta del ciglio e inviano messaggi alle cellule circostanti. Diverse ciliopatie sono causate da mutazioni dei geni IFT, tuttavia non sappiamo ancora come si formino e funzionino i treni IFT a livello molecolare. Cosa significa questo? Proseguendo sull’esempio del treno, è necessario sapere dove si trova ogni singola vite e ingranaggio del treno e come lavorano insieme per garantire che il treno si muova. Inoltre, bisogna sapere come vengono caricati e scaricati i treni e come è regolamentato il transito dei treni che salgono o scendono i binari. Utilizziamo i microscopi della Cryo-EM Facility per rispondere a queste domande.

Per condurre questi esperimenti, il Pigino Group ha bisogno di coltivare Chlamydomonas in un ambiente controllato che chiamiamo, appunto, Chlamy farm. Quello di Human Technopole è unico nel suo genere: installato a marzo 2021, è stato il primo ambiente registrato nell’inventario HT, ed è unico perché realizzato su misura per i nostri laboratori. Tra le caratteristiche principali dell’ambiente ci sono un software per il controllo di luce, temperatura e altre condizioni ambientali e un sistema parallelizzato personalizzato di tubi e rubinetti che pompano aria compressa in bottiglia per mantenere la soluzione ben aerata, mentre le alghe si dividono.

L’allestimento della farm non è stato un compito facile, in particolare quando si trattava di capire come mantenere una pressione sufficientemente alta da consentire la crescita delle alghe. Il progetto è stato ideato congiuntamente dal Pigino Group e dai colleghi dei team di Campus Development and Facility Management, Strategy and Scientific Affairs e Procurement che hanno affrontato diverse difficoltà e, per diversi mesi, hanno rischiato di dover ridimensionare notevolmente il progetto.

Alla fine, grazie all’eccellente lavoro di squadra e al pensiero creativo, la Chlamy farm è stata allestita secondo il piano originale e all’inizio di gennaio 2022 è stata prodotta in loco la prima coltura cellulare su larga scala.

Un miracolo, direbbe qualcuno. “Piuttosto, una collaborazione di grande successo tra esperti tenaci e motivati che sono disposti a pensare fuori dagli schemi e fare tutto il possibile”, ha sottolineato Fabrizio Martino, Staff Scientist del Pigino Group.

Un ringraziamento speciale al team di progetto:

• Claudia Cino, Design, Authorisation & Verification Manager
• Alessandro Iurato, Procurement Specialist
• Natalia Meani, Scientific Infrastructure Coordinator
• Fabio Olivato, Construction Manager
• Marcello Pariani, Maintenance Engineering & Energy Manager
• Marianna Ventrone, Planning and Direct Purchasing Manager