di Sirio Dupont (Società Italiana di Biofisica e Biologia Molecolare – SIBBM).
Il corpo e le cellule sentono il mondo esterno, ma i meccanismi non sono ancora completamente compresi.
L’essere umano è in grado di percepire il mondo tramite i classici 5 sensi (vista, tatto, olfatto, udito e gusto), ma anche tramite altri sistemi in grado di percepire la posizione del corpo nello spazio (l’equilibrio), variazioni rapide della sua posizione (l’accelerazione), lo stato di tensione dei muscoli (la propriocezione), o la temperatura esterna (la termocezione). Per ognuno di questi “sensi” esistono delle cellule specializzate nel percepire una certa grandezza fisica (intensità luminosa, onde sonore, stimoli meccanici, temperatura) oppure chimica (gli zuccheri, il sale, le molecole odorose), chiamate cellule sensoriali.
Quando le cellule sensoriali “sentono” qualcosa trasmettono questa informazione al sistema nervoso centrale, il cervello, che elabora l’informazione sotto forma di sensazioni. Ad esempio se introduciamo dello zucchero in bocca sentiamo un gusto dolce. Per “sentire” qualcosa, ad esempio lo zucchero, una cellula sensoriale deve disporre di un recettore estremamente specifico per riconoscere la struttura chimica dello zucchero, e solo quella, tra le decine di migliaia di molecole chimiche presenti nel corpo e al suo esterno.
Un recettore funziona come una serratura, per cui solo la chiave giusta (lo zucchero) può “aprire” la serratura (attivare il recettore). Sebbene siano note da almeno uno o due secoli le cellule recettoriali che sono responsabili di questi sensi (ad esempio la vista dipende dalle cellule recettoriali chiamate coni e bastoncelli presenti nella retina dell’occhio), in molti casi la scoperta dei recettori che stanno alla base di alcune percezioni è molto più recente.
La scoperta di tali meccanismi è fondamentale, e ha valso l’assegnazione di vari premi Nobel per la per la fisiologia e la medicina: nel 1961 per il funzionamento dell’udito, nel 1967 per il funzionamento dell’occhio e nel 2004 per scoperta dei recettori per le molecole odorose. E’ di qualche giorno fa la notizia che la scoperta dei recettori della temperatura e del tatto sono valsi agli scienziati David Julius e Ardem Patapoutian il Nobel 2021 per la fisiologia e la medicina.
Come fanno le cellule a sentire caldo e freddo?
La scoperta dei recettori della temperatura è stata resa possibile alla fine degli anni ’90 grazie a due “trucchi”, combinati ingegnosamente ( https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11882888/ e https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11893340/ ). Il primo e più importante è stata l’osservazione che alcune sostanze come il mentolo, oppure la capsaicina presente nel peperoncino, possono imbrogliare i nostri sensi facendoci credere di sentire freddo e caldo, rispettivamente. Questo avviene perché queste sostanze agiscono come “chiavi alternative” per i recettori della temperatura. Il secondo è stata la possibilità di “collezionare” i geni presenti nelle cellule recettoriali, e di introdurli in cellule prive della capacità di percepire la temperatura (“cellule sorde”).
Gli scienziati hanno quindi trattato le “cellule sorde” con mentolo o capsaicina, e hanno cercato quale dei geni provenienti dalle cellule recettoriali rendessero possibile la risposta anche in queste cellule. Questi geni infatti contenevano le istruzioni con cui le “cellule sorde” erano in grado di produrre i recettori per il caldo (chiamato TRPV1) e per il freddo (chiamato TRPM8), diventando quindi capaci di rispondere anche alla capsaicina o al mentolo. Numerose ricerche hanno poi confermato, prima in cellule in vitro e poi negli animali e nell’uomo, come questi recettori sono fondamentali proprio per la percezione del freddo e del caldo.
La scoperta dei recettori che vengono attivati da uno stimolo meccanico, e che quindi mediano il senso del tatto, è avvenuta più di recente, nel 2010. In questo caso, la scoperta è avvenuta in maniera diversa: gli scienziati hanno stimolato con dei piccolissimi aghi di vetro sotto controllo di un sistema piezoelettrico varie cellule, cercando cellule che non fossero in grado di rispondere. Hanno poi cercato se ci fossero dei geni espressi solo nelle cellule sensibili, ma assenti nelle cellule insensibili. Infine, hanno utilizzato delle tecniche che permettono di “spegnere” ognuno di questi geni nelle cellule sensibili, uno alla volta, cercando il gene responsabile della risposta.
Queste ricerche hanno identificato non uno ma ben due recettori, chiamati Piezo1 e Piezo2, che vengono attivati da stimoli meccanici. Anche in questo caso numerose ricerche hanno poi dimostrato come questi recettori siano fondamentali per la risposta delle cellule agli stimoli meccanici e per il senso del tatto non solo negli animali e nell’uomo, ma addirittura nelle piante. La mutazione di questi geni causa alcune malattie ereditarie nell’uomo, e la comprensione dei meccanismi molecolari con cui funzionano i recettori Piezo potrebbe permettere un domani di trovare possibili terapie per questi individui.
Sorprendentemente, le popolazioni in cui sono presenti alcune di tali mutazioni sono anche più resistenti alla malaria, perché i globuli rossi privi della capacità di rispondere a stimoli meccanici, come la compressione quando passano nei capillari, assumono una forma anormale che rende più difficile al parassita della malaria colonizzare l’ospite umano. In questo caso è anche interessare notare come l’identificazione dei recettori Piezo è stata resa possibile dalla tecnica chiamata “interferenza a RNA” sviluppata durante gli anni 2000. Questa tecnica si basa su studi compiuti su un piccolo verme che si trova comunemente nel terriccio, che hanno meritato il premio Nobel 2006 per la fisiologia e la medicina, ma che nulla avevano a che fare con le ultime scoperte. Ciò dimostra come nella scienza una scoperta in un certo campo, che potrebbe sembrare privo di interesse e ricadute per l’uomo, in realtà si può rivelare fondamentale per fare avanzare altri campi di ricerca.
Definizioni:
Cellule sensoriali: cellule specializzate del corpo umano che sono in grado di ricevere alcuni stimoli di natura fisica o chimica.
Recettore: una proteina, presente all’interno della cellula sensoriale, che è in grado di riconoscere una certa sostanza tramite un meccanismo a “chiave e serratura”. Esistono anche recettori per stimoli fisici, ad esempio proteine la cui struttura viene modificata in seguito all’applicazione di una compressione (stimolo meccanico), oppure in seguito all’assorbimento di energia luminosa (stimolo luminoso).
Mentolo: sostanza chimica presente nella menta, che produce una sensazione di freddo.
Capsaicina: sostanza chimica presente nel peperoncino, che produce una sensazione di caldo.
Sistema piezoelettrico: un dispositivo elettronico che converte energia elettrica in energia meccanica, e che permette di controllare e dosare molto precisamente la quantità di energia meccanica in modo da stimolare singole cellule senza danneggiarle.