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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Uova e sperma trasmettono memoria sulla repressione dei geni agli embrioni

Crescenti evidenze suggeriscono come lo stress ambientale possa attuare cambiamenti nell’espressione dei geni trasmessi dai genitori alla loro discendenza, rendendo il tema “epigenetica” molto caldo. Le modifiche epigenetiche non riguardano la sequenza dei geni nel DNA,  ma il modo in cui il DNA viene “impacchettato” e la maniera in cui i geni vengono espressi. Ora, uno studio portato avanti da scienziati dell’ UC Santa Cruz stà dimostrando come la memoria epigenetica possa passare di generazione in generazione e da cellula a cellula durante lo sviluppo.

Lo studio, pubblicato il 19 settembre su Science, è incentrato su una ben documentata modificazione epigenetica: la metilazione di una proteina di DNA chiamata histone H3.

La metilazione di un amminoacido particolare (lisina 27) in questa proteina è conosciuta per l’abilità di poter spegnere o meglio “reprimere” alcuni geni, e questo particolare meccanismo trova un parallelo in tutto il mondo animale multicellulare,  dall’essere umano fino al piccolo Caenorhabditis elegans, il verme utilizzato in questo studio.

Il dibattito

 

“C’è stato un dibattito in corso riguardo la possibilità di ereditarietà del tratto riguardante questa metilazione enzimatica tra cellule e tra generazioni, e noi abbiamo finalmente dimostrato che avviene per davvero” ha affermato Susan Strome, una professoressa di biologia molecolare, cellulare e inerente allo sviluppo all’UC Santa Cruz.

Il laboratorio di Strome ha creato vermi con una mutazione che esclude l’enzima responsabile della metilazione, e quindi fatto accoppiare quei vermi mutati con degli altri normali. Usando etichette fluorescenti, sono stati capaci di tracciare lo sviluppo dei cromosomi contrassegnati (e non) sotto al microscopio, a partire dalle cellule uovo e dallo sperma fino alla divisione cellulare degli embrioni dopo la fecondazione. Embrioni nati da ovuli mutanti fecondati da sperma normale aveva sei cromosomi metilati (derivanti dallo sperma) e sei cromosomi non marchiati (derivanti dall’ovulo).

Mano a mano che l’embrione si sviluppava, le cellule replicavano i loro cromosomi e si dividevano. I ricercatori hanno scoperto che quando un cromosoma marchiato si divide, entrambi i cromosomi figli risultano marcati allo stesso modo. Senza l’enzima richiesto per la metilazione della proteina histone però, il marchio viene progressivamente diluito divisione dopo divisione.

“Il marchio rimane nei cromosomi derivanti da quelli iniziali aventi il medesimo marchio, ma non ce n’è abbastanza per entrambi i cromosomi figli per renderli “carichi al 100%” ha affermato Strome. “Quindi il marchio risulta chiaro nell’embrione iniziale, ma meno nelle cellule figlie dopo la divisione, ancora abbastanza chiaro in un embrione di quattro cellule, ma già dopo 24/48 cellule non riusciamo più a vederlo.”

I ricercatori hanno quindi eseguito l’esperimento inverso, fertilizzando normali cellule con sperma mutato. L’enzima responsabile della metilazione (chiamato PRC2) è normalmente presente negli ovuli ma non nello sperma, non contribuendo molto di più al di là della trasmissione dei suoi cromosomi all’embrione. Quindi l’embrione risultante ha avuto comunque sei cromosomi non marchiati (questa volta dallo sperma) e sei cromosomi marchiati, con la differenza però ora di avere l’enzima.

“Rimarcabilmente, mentre osservavamo i cromosomi attraverso la divisione cellulare, i cromosomi marchiati sono rimasti chiaramente marchiati, perchè l’enzima continuava a riprodurre il marchio, ma i cromosomi non marchiati sono rimasti uguali, divisione dopo divisione” Strome ha affermato. “Questo dimostra che il pattern di cromosmi marchiati (e non) è stato ereditato e viene trasmesso attraverso multiple divisioni cellulari.”

Immagine di embrioni di C. elegans evidenzianti trasmissione ed ereditarietà di marchi epigenetici. L’embrione a sinistra mostra il marchio (in verde) ereditato nei cromosomi dallo sperma ma non nei cromosomi ovociti (in rosa) da una madre mutante senza l’enzima della metilazione PRC2. Il secondo embrione a destra mostra la trasmissione del marchio nei cromosomi derivanti dallo sperma in ognuno dei due nuclei figli. (Foto di Laura J. Gaydos)

 

Importanti implicazioni

 

Strome ha notato come le scoperte in questo studio sulla trasmissione della metilazione della proteina histone nei vermi di C. elegans ha importanti implicazioni in altri organismi, anche se questi usano il marchio repressivo per regolare geni diversi duranti diverse fasi dello sviluppo. Tutti gli animali usano lo stesso enzima per creare lo stesso marchio di metilazione come segnale per la repressione genetica, e i suoi colleghi nel campo della ricerca epigenetica su topi ed esseri umani sono entusiasti delle nuove scoperte.

Strome ha aggiunto: “Il campo della trasmissione epigenetica non è un campo del tutto conosciuto, è molto in movimento.” “Ci sono dozzine di potenziali marchi epigenetici. Negli studi che documentano la trasmissione epigenetica da genitore a figlio, non è chiaro esattamente cosa viene trasmesso, e comprenderlo a livello molecolare è davvero molto complicato. Ora noi abbiamo uno specifico esempio di memoria epigenetica trasmessa ereditariamente, e possiamo vederla nel microscopio. E’ un pezzo del puzzle.”

 

 

Fonte: news.ucsc.edu

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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Per la prima volta, i chimici sono riusciti a produrre con successo una cellula artificiale contenente organelli capaci di eseguire i vari steps di una reazione chimica. Tutto questo è avvenuto all’Istituto per le Molecole e i Materiali (IMM –  Institute for Molecules and Materials della Radboud University Nijmegen. La scoperta è stata pubblicata durante il 2014 nel primo numero del giornale “Angewandte Chemie” ed è stato messo in evidenza anche da “Nature Chemistry”

E’ compito difficoltoso per i chimici replicare la chimica delle cellule vive in laboratorio.  Dopotutto, in una cellula tutte le diverse reazioni avvengono simultaneamente nella stessa piccola area, in diversi scomparti e in maniera incredibilmente efficiente. Quest’ultimo è il motivo principale per cui i chimici tentano in tutti i modi di imitare il loro funzionamento. Facendo questo, sperano inoltre di imparare di più sull’origine della vita, e più in particolare della transizione tra reazioni chimiche e biologiche.

Da sinistra a destra: le sostanze sono confinate in piccole sfere (gli organelli) e mischiate con reagenti ed enzimi. Tutto questo confinato all'interno di una parete cellulare polimerica.

Da sinistra a destra: le sostanze sono confinate in piccole sfere (gli organuli) e mischiate con reagenti ed enzimi. Tutto questo confinato all’interno di una parete cellulare polimerica.

Jan Van Hest e l’aspirante PhD Ruud Peters hanno creato i loro organuli riempiendo piccole sfere con agenti chimici epiazzandole all’interno di una goccia d’acqua. Hanno quindi sapientemente ricoperto questa goccia con uno strato di polimeri: la membrana cellulare.  Usando la fluorecenza sono riusciti a  dimostrare come la cascata di reazioni avvenisse in luogo effettivamente. Questo porta loro ad essere i primi chimici a creare una cellula artificiale con organuli funzionanti. Proprio come le cellule del nostro corpo, gli agenti chimici sono capaci di transitare nel plasma della cellula dopo le reazioni negli organuli per essere elaborate altrove nella cellula.

Vista ravvicinata di una cellula polimerica con organelli.

Vista ravvicinata di una cellula polimerica con organelli.

Ricercando l’origine della vita

La creazione di strutture simil-cellulari è al momento molto gettonata nel campo della ricerca chimica, come prova la sperimentazione di diverse tecniche all’ IMM. Il professor Wilhelm Huck per esempio, stà creando cellule a partire da piccole goccie di soluzione molto simile al citoplasma, mentre il già citato gruppo di Van Hest le stà creando usando dei polimeri.

Gruppi in competizione tra loro stanno lavorando vicini alla biologia, creando cellule ad esempio da acidi grassi. Vorremmo tentare di fare lo stesso in futuro. Un altro passo in avanti consisterebbe nel produrre cellule che si producono energia autonomamente. Stiamo inoltre lavorando a metodi di controllo del movimento delle sostanze nella cellula, attraverso gli organuli. Simulando questi meccanismi riusciremo a comprendere meglio le cellule viventi. Un giorno, saremo in grado di crearne copie realmente simili a quelle vere.

Articolo riportato anche su “Nature Chemistry” e “Angewandte Chemie

Fonte: ru.nl

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Traduzione a cura di Denis Gobbi

La diseguaglianza nella distribuzione dell’energia a livello mondiale diminuisce, ma a quale prezzo?

Entropy of Nations

L’Entropia delle Nazioni in un grafico

L’economista del 18° secolo Adam Smith utilizzò una buona metafora per descrivere il modo in cui la società utilizza le risorse. Nel suo libro “La Ricchezza delle Nazioni” egli mette in evidenza che anche se gli individui  si sforzano tramite l’ingegno personale al fine di avere dei vantaggi nella vita, essi inavvertitamente contribuiscono – come se fossero sotto l’influenza di una “mano nascosta” – ad una domanda aggregata di ricchezza. Bene, se Smith fosse un fisico e vivesse nel 21° secolo sarebbe probabilmente tentato di comparare persone e nazioni a delle molecole, nonchè a rimpiazzare la definizione “mano nascosta” con un più moderno “processo termodinamico”.

Curva esponenziale di Boltzmann-Gibbs

La curva esponenziale di Boltzmann-Gibbs illustrante la distribuzione dell’energia molecolare in un gas assomiglia molto al consumo pro-capite di energia delle nazioni del mondo.

Il Comportamento Esponenziale

Victor Yakovenko, uno scienziato del Joint Quantum Institute studia i paralleli esistenti tra nazioni e molecole. La distribuzione di energia tra le molecole di un gas e la distribuzione pro capite del consumo d’energia seguono entrambi una crescita esponenziale. Ovvero, la probabilità di avere un certo valore di energia è proporzionale a e^(-E/kT) dove “T” è la temperatura e “k” è il fattore di proporzionalità chiamata “Costante di Boltzmann“. (La “temperatura” qui è considerata come la media nazionale di consumo energetico pro-capite nel mondo.)

Gli studi sul consumo energetico mondiale spesso mostrano intervalli di consumo energetici o di popolazione in un determinato periodo di tempo. Yakovenko e i suoi colleghi preferiscono illustrare tramite una costante di crescita esponenziale l’utilizzo energetico nazionale rapportando appunto la popolazione al consumo pro-capite.

I ricercatori del JQI hanno basato il loro lavoro sui dati provenienti dall’EIA (U.S. Energy Information Administration). Hanno coperto così un periodo che và dal 1980 al 2010 includendo dati di più di 200 nazioni differenti. I loro risultati sono stati pubblicati sul giornale “Entropy”. Non è il primo studio del genere, in quanto Yakovenko ne ha già effettuato uno riguardante la distribuzione delle entrate pro-capite a livello nazionale in passato.

1980 (blu) 1990 (marrone) 2000 (verde) 2010 (rosso) e idealizzato esponenziale (nero)

1980 (blu) 1990 (marrone) 2000 (verde) 2010 (rosso) e idealizzato esponenziale (nero)

In realtà, i dati sul consumo possono essere rappresentati in un altro modo che illustra la natura distributiva dell’energia utilizzata.  In una “distribuzione di Lorentz” gli assi verticale e orizzontale sono entrambi adimensionali. La figura a fianco rappresenta questi dati riguardanti gli anni 1980/1990/2000/2010 assieme all’andamento esponenziale idealizzato in nero in una quinta curva.

Massima Entropia

Quest’ultima quinta curva corrisponde ad uno stato di massima entropia nella distribuzione dell’energia. Entropia non significa meramente disordine, piuttosto è una misura del numero di differenti possibili stati in cui il sistema può trovarsi e esistere. Se, per esempio, 100 Euro dovessero essere divisi tra dieci persone, la totale uguaglianza comporterebbe 10 Euro ciascuno. Nella figura a fianco, questo stato è rappresentato dalla retta continua in diagonale. La massima diseguaglianza si avrebbe dando tutti i 100 Euro ad una singola persona. La sua rappresentazione nel grafico sarebbe una linea che prosegue sul fondo dell’asse orizzontale per poi risalire verticalmente per quello verticale.

Statisticamente entrambi questi scenari sono piuttosto improbabili perchè corrispondono a situazioni uniche.  La maggior parte delle possibili divisioni assomigliano piuttosto a questo esempio: una persona riceve 27 Euro, la seconda 15 Euro e così via a diminuire fino alla persona numero dieci che riceve solamente 3 Euro.  La quinta curva nera nella rappresentazione grafica illustra questo caso medio dove, in competizione causa scarsità di risorse energetiche, non prevale ne la totale inequità ne la totale egualità.

Ovviamente, le etichette lungo le curve ci aiutano a ricordare come alcune nazioni ottengano molto meno della media e altre al contrario molto di più. La pendenza della curva corrisponde al consumo energetico pro-capite. Notiamo così che le posizioni in alto a destra sono occupate dalle nazioni ad alto consumo: USA, Russia, Francia, UK. In basso a sinistra invece, l’esatto opposto che include anche India e Brasile. La risalita della curva da parte della Cina è il cambiamento più drammatico degli ultimi 40 anni.

Ineguaglianza

La disuguaglianza tra abbienti e non abbienti è spesso caratterizzata da un fattore chiamato il coefficiente di Gini G (introdotto dallo statistico italiano Corrado Gini) definito come l’area compresa tra la curva di Lorentz e la diagonale continua divisa per la metà dell’area presente al di sotto della diagonale. G viene quindi compreso tra 0 e 1, dove 0 corrisponde alla perfetta eguaglianza e 1 alla totale ineguaglianza. La curva corrispondente alla condizione di massima entropia, ha un valore G di 0,5.

Gli scienziati del JQI hanno calcolato G nel tempo e ne hanno ricavato il grafico qui in alto a destra. Esso mostra come G sia sceso nel corso degli anni. In altre parole, l’ineguaglianza per quanto riguarda il consumo energetico tra le nazioni stà continuando a calare. Molti economisti attribuiscono questo recente sviluppo alla crescente globalizzazione del commercio. E come a sottolineare la natura termodinamica caratterizzante il flusso delle materie prime,  un recente studio di Branko Milanovic della Banca Mondiale mostra una curva di Gini molto simile a questa. Egli ha tracciato il declino di diseguaglianza del reddito globale utilizzando un parametro chiamato parametro chiamato parità di potere d’acquisto (PPA) fra nazioni (4).

Può continuare?

L’ultima figura suggerisce che la tendenza verso una minore diseguaglianza dei consumi comincerà a stallare avvicinandosi al suo comportamento pienamente esponenziale. Questo avviene a causa dell’applicaizone delle inesorabili leggi della termodinamica al consumo energetico nazionale?. Come con le molecole di gas, dove alcune molecole sono “ricche” (possiedono maggiore energia) e altre “povere” alcune nazioni sono destinate ad essere povere?.

Forse no. Il professor Yakovenko crede che un modo ovvio per alterare le circostanze della distribuzione di energia espressa nelle figure ivi sopra è l’ulteriore sviluppo delle fonti di energia rinnovabile.

Questi grafici si applicano ad un mondo globalizzato, ben miscelato, dove un insieme di combustibili fossili esauribili è ridistribuibile su scala globale. Se il mondo passasse all’energia rinnovabile prodotta e consumata localmente e la finisse di mischiare il mazzo di carte dei combustibili fossili allora non si applicherebbero più le leggi della probabilità, e la disuguaglianza potrebbe essere ulteriormente abbassata.  Dopo tutto, il sole splende più o meno alla stessa maniera su tutti.

Yakovenko aggiunge che per una crescita esponenziale sarà necessaria ciò che lui chiama “la regola dei terzi” . Questo vuol dire che 1/3 della popolazione mondiale consumerà 2/3 dell’energia totale prodotta mentre i restanti 2/3 della popolazione consumeranno il rimanente terzo dell’energia rimasta.

Fonte: jqi.umd.edu(1) (2); mdpi.com;

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Traduzione a cura di Denis Gobbi 

Questa immagine raffigura la serie di reazioni che subisce l'acqua durante la separazione in molecole di idrogeno e ioni di idrossido (OH-). Il processo viene innescato dai grappoli di Idrossido di Nickel (verde) incorporati in un quadro di platino (grigio).

Questa immagine raffigura la serie di reazioni che subisce l'acqua durante la separazione in molecole di idrogeno e ioni di idrossido (OH-). Il processo viene innescato dai grappoli di Idrossido di Nickel (verde) incorporati in un quadro di platino (grigio).

Quando si tratta di produzione industriale di sostanze chimiche, spesso l’elemento più indispensabile è proprio il meno visibile, anzi esso è invisibile, non lo puoi annusare, toccare nè tantomeno gustarlo. E’ l’idrogeno, l’elemento più leggero che esista.

I ricercatori del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) nell’Argonne National Laboratory sono riusciti a sviluppare uno straordinario ed efficiente processo di ellettrolisi in due fasi che separa gli atomi di idrogeno dalle molecole d’acqua prima di ricombinarli tra di loro per dare forma ad idrogeno molecolare (H2). Questo idrogeno molecolare può essere utilizzato in qualsiasi applicazione: dalle celle combustibili alla trasformazione industriale.

Strade più accessibili e semplici alla produzione dell’idrogeno sono state a lungo bersaglio di molti scienziati ed ingegneri, principalmente perchè il processo richiede esso stesso una grande quantità di energia, basti pensare al fatto che il 2% di tutta l’energia prodotta negli Stati Uniti è dedicata proprio alla produzione di idrogeno molecolare. Si stà cercando quindi un modo per ridurre questa questa cifra.

“La gente comprende che una volta che hai l’idrogeno, da esso puoi estrarre un moltissima energia, ma non si rende conto di quanto sia difficile ottenerlo in primis.” ha detto Nenad Markovic, il chimico che ha guidato la ricerca.

Mentre una gran quantità di idrogeno viene creata dalla riformazione naturale del gas ad alta temperatura, questo processo genera emissioni di anidride carbonica. “Gli elettrolizzatori d’acqua sono fino ad ora il metodo più pulito per produrre l’idrogeno” ha detto Markovic. “Il metodo che abbiamo messo a punto combina le particolari caratteristiche di due dei migliori materiali noti per l’elettrolisi a base d’acqua.”

La maggior parte dei precedenti esperimenti di elettrolisi a base d’acqua si basano su metalli speciali, come il platino, per assorbire e ricombinare l’idrogeno reattivo intermedio in idrogeno molecolare stabile. La ricerca di Markovic si concentra sul passaggio precedente, che consiste nel miglioramento dell’efficienza con cui una molecola d’acqua in entrata di scompone nei suoi fondamentali componenti. Per fare ciò Markovic ed i suoi colleghi hanno aggiunto grappoli di una lega metallica conosciuta come Idrossido di Nickel [Ni(OH)2]. Collegati ad un quadro di platino, i grappoli lacerano le molecole d’acqua, permettendo all’idrogeno liberato di essere catalizzato dal platino.

“Uno dei punti più importanti di questo esperimento  consiste nella combinazione di due materiali che hanno punti di forza differenti.” ha detto Markovic. “Il vantaggio di usare sia gli ossidi che i metalli in combinazione migliora drasticamente l’efficienza catalizzante dell’intero sistema”.
In accordo con George Crabtree, studioso dei materiali dell’Argonne National Laboratory che ha aiutato inizialmente nell’avviare questo programma energetico di conversione, il successo dei ricercatori è da attribuire alla loro capacità di lavorare in quelli che vengono definiti come “sistemi monocristallini” materiali privi di difetti che permettono agli scienziati di prevederne accuratamente il comportamento a livello atomico. “Non solo abbiamo aumentato l’attività catalitica di un fattore di 10, ma abbiamo anche capito come ogni singola parte del sistema funziona. Con lo scaling dal singolo cristallo al catalizzatore vero e proprio, questo lavoro illustra come la comprensione fondamentale porta a nuove innovative tecnologie”.
Fonte: anl.gov

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