La sopravvivenza senza ossigeno

Quando l’ossigeno viene a mancare, c’è una singola proteina che agisce come un vero e proprio “interruttore” della sopravvivenza, un meccanismo condiviso da piante ed esseri umani che si attiva nei primi 5 minuti di ipossia.

Uno studio tra Università di Pisa, Scuola Sant’Anna e Oxford rivela che il sistema molecolare che attiva le difese cellulari nelle piante in condizioni di ipossia è evolutivamente conservato anche negli animali, esseri umani compresi.

Lo studio internazionale pubblicato su PNAS coinvolge l’Università di Pisa, la Scuola Superiore Sant’Anna e l’Università di Oxford. La ricerca ha identificato il meccanismo molecolare che entra in funzione nei primissimi minuti di ipossia innescando la reazione di difesa delle cellule.

«Abbiamo dimostrato che l’avvio della risposta all’ipossia dipende da un unico circuito molecolare basato su una proteina. È come un interruttore: nei primi minuti le cellule capiscono che manca ossigeno e attivano subito le difese» spiega Beatrice Giuntoli, docente del Dipartimento di Biologia dell’Università di Pisa e tra le autrici dello studio.

Cosa succede quando manca l’ossigeno

Quando l’ossigeno diminuisce, capacità di reagire rapidamente è decisiva. Nelle piante questo primo segnale è affidato a una famiglia di enzimi, le Plant Cysteine Oxidases (PCO), che funzionano come sensori molecolari e attivano i geni necessari per adattarsi allo stress.

Tutti gli altri meccanismi di risposta intervengono solo successivamente, ma è questo “innesco” iniziale a determinare l’efficacia della reazione.

È un meccanismo che esiste anche negli esseri umani: si tratta dell’enzima ADO, omologo funzionale delle PCO vegetali, che contribuisce alla percezione dell’ossigeno nei tessuti.

«La cosa più interessante è che questo “innesco” molecolare non è esclusivo delle piante. Una proteina molto simile è presente anche nell’uomo e partecipa ai meccanismi con cui le cellule percepiscono le variazioni di ossigeno. Non è l’unico sistema negli esseri umani, ma in alcuni tessuti potrebbe avere un ruolo importante e con tempistiche molto rapide, analoghe a quelle che osserviamo nelle piante» aggiunge la professoressa Giuntoli.

L’innovazione della ricerca è stata anche dal punto di vista metodologico. Per isolare e studiare questo meccanismo nella sua forma essenziale è stato utilizzato un approccio innovativo di biologia sintetica.

Nelle piante, la carenza di ossigeno è una condizione frequente, ad esempio durante le alluvioni. In questi contesti, la rapidità della risposta può fare la differenza tra sopravvivenza e morte.

L’esperimento ha mostrato che la risposta si attiva in tempi rapidissimi, nell’ordine di cinque minuti, confermando che i primissimi istanti sono cruciali per la sopravvivenza cellulare. Solo successivamente entrano in gioco altri meccanismi che amplificano e stabilizzano la risposta.