In una proteina di balene e delfini il segreto per realizzare il sangue sintetico?
Uno studio su uomini, mammiferi terrestri e cetacei che compiono immersioni profonde
[29 Settembre 2015]
Secondo lo studio “Apoglobin Stability Is the Major Factor Governing both Cell-free and in VivoExpression of Holomyoglobin”, pubblicato sul Journal of Biological Chemistry un team della texana Rice University, le proprietà ultra-stabili delle proteine che consentono ai cetacei di rimanere attivi mentre fanno immersioni profonde e trattengono il fiato per un massimo di due ore, potrebbe aiutare i biochimici a terminare con successo una ricerca ventennaleper creare sangue sintetico per salvare la vita a pazienti umani.
Rispetto alla mioglobina che si trova nei muscoli degli esseri umani, quella dei cetacei trattien molto più ossigeno e lo rifornisce alle cellule muscolari. Lo studio ha scoperto che i mammiferi marini hanno versioni di mioglobina ultra-stabili e che questa stabilità è la chiave che permette alle cellule di produrre grandi quantità di mioglobina, il che è il motivo per cui i mammiferi che fanno immersioni profonde possono caricare le loro cellule muscolari con molta più mioglobina degli esseri umani.
Il team i ricerca, guidato da John Olson, che insegna biochimica e bilogia cellulare alla Rice, è costituito da Premila Samuel, Lucian Smith e George Phillips e Olson spiega che «Le balene e gli altri mammiferi marini che fanno immersioni subacquee profonde, sono in grado di stoccare 10 – 20 volte più mioglobina nelle loro cellule di quel che possono fare gli esseri umani, il permette loro di “scaricare” ossigeno direttamente nei loro muscoli scheletrici e di rimanere attivi anche quando trattengono il fiato sospeso». E’ per questo che la carne di n balena è così scura: è piena di mioglobina che è in grado di contenere ossigeno. «Ma la mioglobina di nuova costruzione non contiene ancora eme – dice Olson – Abbiamo scoperto che la stabilità della mioglobina senza eme è il fattore chiave che permette alle cellule di produrre elevate quantità di mioglobina».
Per Olson si tratta di una scoperta importante perché vuole creare un ceppo di batteri che posano produrre enormi quantità di un’altra proteina che è strettamente legata alla mioglobina. Olson ha trascorso 20 anni a studiare l’emoglobina, una delle proteine più grandi e complesse, che trasporta l’ossigeno nel sangue, con l’obiettivo di creare sangue sintetico da utilizzare nelle trasfusioni al posto di quello dei donatori umani che a volte scarseggia e che ha una durata di conservazione limitata. Una parte essenziale del progetto di Olson è quella di massimizzare la quantità di emoglobina che un batterio in grado di esprimere.
«I nostri risultati confermano che la stabilità proteina è la chiave” – sottolinea Olson – In questo studio, Premila e George hanno sviluppato un metodo in vitro per testare l’espressione della mioglobina fuori delle cellule viventi. Questo ci ha permesso di controllare accuratamente tutte le variabili. Abbiamo scoperto che la quantità di mioglobina completamente attiva espressa è direttamente e fortemente dipendente dalla stabilità della proteina prima che si leghi al gruppo eme».
Tutte le proteine hanno una forma caratteristica, e le proteine della famiglia globina sono modellate intorno ad una “tasca” nella quale è stoccata eme. La “tasca” dell’eme apre e si chiude per intrappolare e rilasciare ossigeno.
La Samuel ha detto che la forma eme-free di mioglobina che ha studiato è l’apoproteina o apomioglobina e che «Più stabile è l’apoproteina, più prodotto finale potremo fare. L’apomioglobina umana non è molto stabile rispetto a quella dei mammiferi in immersione, che hanno versioni dell’apoglobina che sono fino a 60 volte più stabili della nostra. Le differenze di stabilità non sono evidenti se si confrontano semplicemente le strutture generali della mioglobina di ogni specie. Le loro forme complessive tra cui la forma delle loro “tasche” eme, sono le stesse. Tuttavia, grazie a sottili differenze nelle loro sequenze di aminoacidi, le mioglobine più stabili sono più in grado di mantenere le loro forme. Questa stabilità di fondo diventa evidente solo quando si studiano le versioni senza eme o “APO” della proteina».
Il lavoro della Samuel è stato reso possibile da tre studi precedenti. Nel 1999, Emily Scott, uno studente laureato nel laboratorio di Olson, si accorse che apomioglobina del capodoglio era molto più resistente alle perturbazioni indotte chimicamente delle apoproteine umane o del maiale e si chiese se questa resistenza fosse una caratteristica dei cetacei che compiono immersioni profonde, così ha raccolto campioni da diverse specie di mammiferi e nel 2000 ha avuto la conferma della sua ipotesi.
Intanto uno degli autori del nuovo studio, Smith, stava esaminando un catalogo di 250 apomioglobine mutanti del capodoglio e notò che una certa classe di mutazioni nella “tasca” dell’eme rendeva le proteine estremamente stabili anche se le mutazioni danneggiava la loro capacità di legare eme e ossigeno.
Nel 2013, Michael Berenbrink dell’università di Liverpool, e Kevin Campbell dell’università del Manitoba, scoprirono che i cetacei che compiono immersioni profonde esprimono grandi quantità di mioglobina nel loro tessuto muscolare. Berenbrink e Campbell analizzarono sistematicamente i geni e tutte le informazioni disponibili per le mioglobine dei mammiferi, compresi quelli provenienti da specie che fanno immersioni in acque profonde, e scoprirono che le mioglobine di mammiferi marini aveva grandi cariche superficiali positive rispetto a quelle degli animali terrestri, ipotizzando che le differenze di carica consentono alle specie acquatiche di produrre più mioglobina nelle loro cellule muscolari.
Ripartendo da qui il team di Olson ha deciso di condurre dei test su una serie di proteine che comprendevano le mioglobine di esseri umani, suini e di molti dei mammiferi che effettuano immersioni profonde. Poi hanno utilizzato questi risultati per produrre in laboraorio tre proteine mutanti che erano molto più stabile di qualsiasi cosa presente in natura.
Nei suoi test, la Samuel ha confrontato la stabilità e il livello di i mioglobine nelle cellule di esseri umani, maiali, zifi, foche grigie, capodogli, cogie e dei tre proteine mutanti, che avevano una bassa affinità di eme ma erano 50 volte più stabili rispetto alle apomioglobine dei cetacei. La ricerca ha confermato che la stabilità delle apoproteine è direttamente correlata ai livelli di espressione.
Olson conclude: «Questo lavoro è molto importante per i nostri progetti di sostituti sintetici del sangue e per la determinazione della tossicità dell’emoglobina acellulare. Premila ha gettato le basi per un high-throughput screening delle grandi biblioteche delle varianti dell’emoglobina senza la necessità di purifiacere milligrammi di proteina pura. Questo metodo è un grande passo in avanti nei nostri sforzi per identificare le emoglobine ricombinanti più stabili».