Ecco come da una cellula si forma un intero organismo, in poche ore

In tutte le specie, gli individui nascono da una singola cellula uovo fecondata, che si divide, dando vita ad altre cellule, le quali a loro volta si differenziano in organi e tessuti diversi e vanno a costituire un organismo pluricellulare. Un dato ben noto alla scienza, il cui processo completo, passo dopo passo, non era però stato ancora ricostruito in maniera dettagliata. Così i ricercatori della Harvard Medical School negli Stati Uniti hanno ripercorso tutti gli step che portano da una cellula a un organismo pluricellulare, fornendo una moviola di ciò che avviene all’interno di due specie, il pesce zebra, un piccolo pesce d’acqua dolce, e gli embrioni di rana. I risultati sono stati pubblicati in tre paper online su Science.

L’idea dei ricercatori è quella di partire da fotogrammi multipli che riproducono l’attività genetica delle cellule nelle due specie scelte durante il loro sviluppo iniziale, per poi mettere insieme i dati in una sorta di moviola, in un video che descrive la storia di come questi embrioni sono cresciuti, cellula dopo cellula, tenendo conto degli intervalli temporali di minuti o ore.

Gli scienziati sono partiti da embrioni di pesce zebra di 4 ore di vita per arrivare a osservarne l’assetto a 24 ore, il tutto tramite la recente tecnica del sequenziamento del dna di una singola cellula. Per mappare l’evoluzione dell’organismo, inoltre, i ricercatori hanno utilizzato dei traccianti genetici, iniettati all’interno della cellula: proprio come degli evidenziatori di informazioni, questi traccianti permettono di seguire il movimento della cellula e quello delle sue figlie.

Così è possibile vedere come da una sola cellula uovo fecondata ne nascano tante altre, che vanno a formare tessuti e organi diversi, come il cuore, i nervi e la pelle. “Con questa tecnica di sequenziamento di una singola cellula”, ha sottolineato Allon Klein, coautore di due dei tre studi su Science, “possiamo, in un solo giorno di lavoro, ricapitolare decine di anni di accurate ricerche sul comportamento delle cellule nelle primissime fasi di vita. Con questi approccio che abbiamo sviluppato stiamo tracciando la strada di ciò che pensiamo possa essere il futuro della biologia, una scienza che si trasformerà in quantitativa e basata sui big-data”.

Comparando i risultati dell’analisi delle cellule del pesce zebra con quelle della rana, i ricercatori hanno avuto anche dei risultati inattesi: ad esempio i percorsi biologici con cui si sviluppano determinate cellule variavano da una specie all’altra, mentre l’attività di alcuni geni nel dna della cellula si differenziava di più, nei due diversi animali, di quanto si pensasse – anche se alcuni fattori genetici chiave alla base della trascrizione genica sono simili.

Nel terzo studio, poi, gli autori hanno messo a punto un metodo computazionale per tracciare e localizzare le cellule del pesce zebra in via di sviluppo: mentre il gruppo campionava le cellule ogni 45 minuti per circa 9 ore, un software ne ricostruiva la biografia, andando a registrare i dati dell’attività genetica. Ed anche in questo caso sono emerse delle sorprese. I ricercatori si aspettavano che, una volta che la cellula avesse intrapreso una strada biologico (ad esempio la formazione di un dato tessuto), associato ad una determinata attività genetica, questa strada venisse necessariamente percorsa fino alla fine: al contrario, in certi casi, le cellule cambiavano attività e dunque il percorso biologico non veniva mantenuto.

Così, questo nuovo approccio, oltre a fornire delle linee guida per studiare il genoma di queste specie, spiegano gli scienziati, potrebbero aprire la anche aiutare a comprendere non solo lo sviluppo degli embrioni, ma anche quello dei tumori o delle malattie neurodegenerative. E questi tre studi potrebbero fornire una sorta di ricetta, concludono gli autori, per gli scienziati che lavorano con le cellule staminali e per l’ingegnerizzazione dei tessuti: capire passo passo come si forma un organo da una singola cellula è un processo utile anche per la costruzione di nuovi tessuti in laboratorio.