La glicobiologia, evolvendosi oltre le sue radici nella chimica dei carboidrati, è ora un campo chiave per comprendere i meccanismi molecolari della vita. I glicani, essenziali in varie funzioni biologiche, sono al centro di ricerche pionieristiche e innovazioni tecnologiche, rivelando il loro ruolo fondamentale nella salute e nelle malattie. Credito: SciTechDaily.com
I ricercatori stanno lavorando per far avanzare il campo della glicoscienza, illuminando il ruolo essenziale dei carboidrati per la salute e le malattie umane.
Nel senso più stretto, la glicobiologia è lo studio della struttura, della biologia e dell’evoluzione dei glicani, i carboidrati e le molecole rivestite di zucchero presenti in ogni organismo vivente. Come ha chiarito un recente simposio al MIT, il settore è nel mezzo di una rinascita che potrebbe rimodellare la comprensione degli scienziati sugli elementi costitutivi della vita.
Coniata originariamente negli anni ’80 per descrivere la fusione della ricerca tradizionale nella chimica dei carboidrati e nella biochimica, la glicobiologia è arrivata a comprendere un insieme di idee molto più ampio e multidisciplinare. “Glicoscienza” potrebbe effettivamente essere un nome più appropriato per questo settore in rapida crescita, riflettendo la sua ampia applicazione non solo alla biologia e alla chimica. ma anche alla bioingegneria, alla medicina, alla scienza dei materiali e altro ancora.
“Sta diventando sempre più chiaro che questi glicani hanno un ruolo molto importante da svolgere nella salute e nella malattia“, afferma Laura Kiessling, Prof.ssa di chimica della Novartis. “All’inizio può sembrare scoraggiante, ma ideare nuovi strumenti e identificare nuovi tipi di interazioni richiede esattamente il tipo di capacità creative di risoluzione dei problemi che le persone hanno al MIT”.
Il manto di zucchero del corpo
I glicani comprendono un insieme diversificato di molecole con strutture lineari e ramificate che sono fondamentali per le funzioni biologiche di base. Senza alcuna eccezione nota, tutte le cellule in natura sono rivestite con queste molecole di zucchero: dalle intricate catene di zuccheri che circondano la maggior parte delle superfici cellulari alle molecole coniugate che si formano quando gli zuccheri si attaccano come un’impalcatura a lipidi e proteine. Sono assolutamente fondamentali per la vita. Kiessling, ad esempio, sottolinea che la molecola organica più abbondante sul pianeta è il carboidrato cellulosa.
“Il legame tra sperma e ovulo è mediato da un’interazione tra una proteina e un carboidrato”, afferma. “Nessuno di noi esisterebbe senza queste interazioni”.
Anche se parlare di carboidrati e zuccheri potrebbe lasciare alcune persone concentrate sulla loro dieta, i glicani sono in realtà tra le biomolecole più importanti in circolazione. Immagazzinano energia e, in alcuni casi, come la cellulosa, forniscono la struttura per gli organismi multicellulari. Mediano la comunicazione tra le cellule: influenzare interazioni come quella tra un ospite e un parassita e modellano le risposte immunitarie, la progressione della malattia, lo sviluppo e la fisiologia.
Nel laboratorio della Prof.ssa Laura Kiessling, i ricercatori stanno lavorando per comprendere le interazioni proteine-carboidrati a livello molecolare, come la proteina intelectina-1 umana (hiTLN-1) mostrata qui. Comprendere la glicobiologia della proteina potrebbe facilitare lo sviluppo di nuovi antibiotici e terapie antimicrobiche. Credito: Kiessling Lab
“Si scopre che alcune di queste strutture, che fino a poco tempo fa non sapevamo nemmeno esistessero in così grande abbondanza nel corpo, hanno così tante funzioni biologiche diverse“, afferma Katharina Ribbeck, Prof.ssa di ingegneria biologica di Andrew ed Erna Viterbi. “Con questa rapida espansione della conoscenza, sembra che stiamo appena iniziando a capire quanto diverse e importanti siano queste funzioni per la biologia“.
Con una migliore comprensione di quanto siano onnipresenti e critiche queste molecole in campi come la biotecnologia e la medicina, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione alla glicoscienza come strumento per individuare le cause delle malattie.
Molte condizioni sono state collegate a difetti nel modo in cui i glicani vengono prodotti nel corpo o a problemi con la glicosilazione, il processo mediante il quale i carboidrati si attaccano alle proteine e ad altre molecole. Ciò include alcune forme di cancro. È stato anche dimostrato che le cellule tumorali si nascondono in alcune glicoproteine per eludere una risposta immunitaria.
D’altro canto, i glicani possono essere un deposito di potenziali terapie. L’eparina, anticoagulante, uno dei farmaci da prescrizione più venduti al mondo, ad esempio, è un farmaco a base di carboidrati.
I glicani e le proteine che legano gli zuccheri come le lectine aiutano anche a influenzare lo scambio di microbi attraverso gli strati di muco nel corpo umano, dal cervello all’intestino. I glicani nel muco interagiscono con i microbi, lasciando entrare quelli buoni e riducendo la virulenza di quelli problematici interrompendo la segnalazione cellulare o impedendo agli agenti patogeni di rilasciare tossine.
Nuovi strumenti per far avanzare la vecchia scienza
Nonostante quanto sia cruciale questo “rivestimento di zucchero”, per molto tempo i biologi molecolari si sono concentrati sugli acidi nucleici e sulle proteine, prestando relativamente poca attenzione agli zuccheri che li ricoprivano.
“Gli strumenti a nostra disposizione per esaminare le funzioni di altre molecole sono in gran parte assenti per i glicani“, afferma Kiessling, che è anche membro dell’istituto del Broad Institute del MIT e di Harvard.
Ad esempio, le sequenze di DNA e RNA di una cellula predicono quali proteine produce quella cellula, così gli scienziati possono monitorare dove si trova una proteina e cosa sta facendo utilizzando un tag geneticamente codificato. Ma la struttura dei glicani non è codificata in modo così evidente nel DNA di una cellula, e una singola proteina può essere decorata con molte catene diverse di carboidrati.
Inoltre, l’immensa diversità delle forme che i carboidrati possono assumere e il fatto che si decompongono rapidamente nel flusso sanguigno, ha reso difficile sintetizzare i glicani o utilizzarli per lo sviluppo di farmaci. Pertanto, sono necessari nuovi metodi creativi per monitorarli.
È la classica situazione dell’uovo e della gallina. Il fatto che gli scienziati comprendano meglio l’importanza dei glicani per così tanti processi biologici, li ha incentivati a sviluppare strumenti migliori per studiare i glicani, producendo a loro volta ancora più dati su ciò che queste molecole possono fare. Nel 2022, infatti, il Premio Nobel è stato assegnato a Carolyn Bertozzi dell’Università di Stanford, pioniera della glicobiologia,per il suo lavoro sul tracciamento delle molecole nelle cellule, che lei e altri hanno applicato ai glicani.
Ma l’intelligenza artificiale potrebbe facilitare un salto evolutivo nel settore.
“Penso che la glicobiologia sia, più di quasi ogni altro campo, matura e pronta per un’interpretazione dell’intelligenza artificiale“, afferma Ribbeck, spiegando come l’intelligenza artificiale potrebbe consentire agli scienziati di leggere il “codice glicano” nello stesso modo in cui lo fanno con il genoma umano. Ciò consentirebbe ai ricercatori di prevedere la funzione effettiva di un glicano sulla base dei dati sulla sua struttura. Da lì, potrebbero identificare quali cambiamenti portano alla malattia o aumentano la suscettibilità alle malattie e, soprattutto, trovare modi per riparare tali difetti.
Uno sforzo inter e transdisciplinare
Il crescente interesse per la computazione riflette l’intrinseca interdisciplinarietà che ha definito la glicoscienza fin dall’inizio.
Proprio al MIT, ad esempio, la ricerca correlata si sta svolgendo in tutto l’Istituto. Kiessling descrive il MIT come un “parco giochi per la ricerca interdisciplinare”, che ha consentito progressi significativi nel campo con applicazioni alla biotecnologia, alla ricerca sul cancro, alla scienza del cervello, all’immunologia e altro ancora.
Nel Dipartimento di Chimica, Kiessling sta studiando le proteine che legano i carboidrati e come le loro interazioni con i glicani influenzano il sistema immunitario. Sta anche lavorando con Bryan Bryson, Prof. associato presso il Dipartimento di ingegneria biologica e Deborah Hung, membro della facoltà del Broad Institute del MIT e della Harvard, utilizzando analoghi dei carboidrati per testare le differenze nei ceppi di tubercolosi in Sud Africa.
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Nel frattempo, l’assistente Professore di ingegneria biologica Jessica Stark sta sperimentando approcci per comprendere meglio il ruolo dei glicani nel sistema immunitario. Tobi Oni, ricercatore presso il Whitehead Institute for Biomedical Research, sta studiando i glicani per rilevare e colpire i tumori nel cancro del pancreas.Barbara Imperiali, Pro.ssa di biologia e chimica della classe del 1922, sta studiando i carboidrati che avvolgono le cellule dei microbi come i batteri e il Professor Matthew Spalle del Dipartimento di Chimica sta studiando il ruolo dei glicani nella sintesi e nel ripiegamento delle proteine.
“Siamo in una posizione davvero entusiasmante e unica nel combinare discipline per affrontare e rispondere a domande completamente nuove rilevanti per la malattia e la salute“, afferma Ribbeck. “Il campo in sé e per sé non è nuovo, ma ciò che è nuovo è che il MIT, in particolare, potrebbe creare una combinazione creativa di scienza, ingegneria e calcolo”.
Fonte:MIT News
