La gravità e il magnetismo terrestre hanno effetti inaspettati sul genoma umano e sui mitocondri

La scoperta potrebbe avere importanti implicazioni per i viaggi spaziali, e suggerisce un nuovo percorso per il trattamento di condizioni neurodegenerative come il morbo di Parkinson.

Il genoma umano sembra non preoccuparsi di essere in ambienti a gravità zero e, in alcuni casi, i mitocondri che producono energia per le nostre cellule traggono effettivamente beneficio dal trascorrere tempo fuori dal campo magnetico terrestre.

Questi due risultati – che provengono da gruppi di ricerca separati negli Stati Uniti e nel Regno Unito – potrebbero avere importanti implicazioni per i viaggi spaziali, mentre il secondo suggerisce un nuovo percorso per il trattamento di condizioni neurodegenerative come il morbo di Parkinson.

Il genoma umano codifica informazioni nelle molecole di DNA, e la sua struttura è direttamente collegata alla sua funzione.

Qualsiasi cambiamento in questa struttura può portare a malattie. Tuttavia, mentre gli scienziati sanno che lo stress meccanico può produrre tali cambiamenti, la fisica Alexandra Zidovska della New York University negli Stati Uniti afferma che il ruolo della gravità – uno stressore meccanico onnipresente sulla Terra – è poco compreso.

Per determinare gli effetti della gravità sul genoma, Zidovska e colleghi studiarono come il sistema rispondesse quando questa forza veniva rimossa. “Abbiamo fatto questo costruendo una ‘macchina per il posizionamento casuale’ che ci permette di simulare la gravità zero qui sulla Terra,” racconta a Physics World.

” Si tratta di un dispositivo – simile ai dispositivi più grandi che gli astronauti usano durante il loro addestramento – che può ruotare le cellule in due o tre dimensioni. Può simulare condizioni di gravità zero su scale temporali più brevi di quelle in cui avvengono i processi cellulari.”

Sebbene tali dispositivi siano ampiamente utilizzati, Zidovska spiega che la maggior parte degli studi precedenti di questo tipo utilizzava saggi biochimici o tecniche di immunofluorescenza per immagini di cellule fissate.

Nel nuovo lavoro, pubblicato su Science Advances, Zidovska e colleghi hanno invece fotografato cellule vive utilizzando una tecnica confocale ad alta risoluzione.

Lo facevano coltivando le cellule su una ciotola con fondo di vetro, facendo molta attenzione a evitare bolle d’aria, che causano stress alle cellule e possono persino ucciderle.

Il team ha inoltre regolato la velocità e il percorso di rotazione 3D della macchina a posizionamento casuale in modo da minimizzare gli effetti del flusso di fluidi causati dalla rotazione.

Questi effetti di flusso possono anch’essi danneggiare le cellule e, poiché non esistono in ambienti “reali” a gravità zero (ad esempio nello spazio), era importante ridurli il più possibile.

I risultati del team mostrano che, dopo 24 ore nell’ambiente simulato a gravità zero, l’organizzazione e la dinamica del genoma hanno resistito inaspettatamente bene.

Questo risultato potrebbe essere importante per valutare gli effetti a livello cellulare della gravità zero durante i viaggi spaziali, anche se Zidovska riconosce che questi non sono gli unici rischi genetici che i viaggiatori spaziali affrontano.

Come la gravità, il campo geomagnetico terrestre è onnipervadente, con una forza che varia tra 25 e 60 uT.

Molte ricerche precedenti sui suoi effetti biologici si sono concentrate sia sul suo ruolo nel proteggere gli organismi dalle radiazioni cosmiche, sia su come la magnetoricezione aiuti uccelli migratori e mammiferi marini a navigare su lunghe distanze.

In questo studio, i ricercatori guidati dalla biochimica di Nottingham Lisa Chakrabarti hanno esaminato moscerini della frutta sani (di tipo selvatico) insieme a mosche geneticamente modificate per portare un difetto nel gene Pink1 B9.

Queste mosche agiscono come modello biologico che replica caratteristiche chiave del morbo di Parkinson ad insorgenza precoce, inclusi i mitocondri malfunzionanti; neuroni degradati (dopaminergici); e riduzione dell’attività fisica e della durata della vita.

Chakrabarti e colleghi collocarono queste popolazioni di mosche all’interno di una camera circondata da una barriera che combina quattro strati di schermatura passiva μ-metallica con nove bobine interne attive di cancellazione del campo. In questo modo, mantenevano il campo magnetico ambientale delle mosche sotto i 5 nT.

I ricercatori hanno misurato la durata della vita delle mosche contando il numero di mosche morte e vive dopo un certo periodo.

Hanno inoltre osservato l’attività fisica delle mosche registrando la percentuale che attraversava una linea segnata ogni cinque giorni.

Infine, per valutare ulteriormente la salute delle mosche, hanno utilizzato un respirometro ad alta risoluzione e sensori quantistici basati sui centri di vacanza di azoto nel diamante per monitorare i livelli di superossido, una molecola altamente reattiva prodotta dai mitocondri.

Il team ha scoperto che schermare le mosche Pink1 dal campo magnetico terrestre aumentava la loro durata di vita di circa il 20%, anche se diventavano meno attive fisicamente.

Le mosche sane, invece, diventavano più attive fisicamente, ma la loro durata di vita in realtà diminuiva.

“C’è anche la possibilità che brevi periodi di tempo in un ambiente schermato magneticamente possano essere benefici per altre condizioni mediche,” afferma Chakrabarti.

“Un’altra implicazione importante è per gli astronauti che viaggiano più lontano nello spazio, dove il campo geomagnetico non ha influenza.” Oltre a essere esposti a ulteriori radiazioni, Chakrabarti suggerisce che gli astronauti “potrebbero subire effetti specifici separati dall’assenza del campo geomagnetico”.

I ricercatori di Nottingham ora pianificano di studiare i cambiamenti molecolari e biochimici che stanno alla base degli effetti osservati. “Abbiamo anche alcuni dati sui vertebrati, che sono molto sorprendenti, quindi continueremo a lavorare anche su quello,” dice Chakrabarti.

Cortesia: Nikitas Kanellakopoulos e Alexandra Zidovska, Dipartimento di Fisica, New York University