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Cosa succede quando spermatozoi e uovo si incontrano: scienziati svelano il mistero della vita

Quando gli spermatozoi incontrano l’uovo solo a uno è consentito l’accesso, innescando la fecondazione. Grazie a un supercomputer i ricercatori hanno svelato il mistero di alcuni affascinanti meccanismi che si verificano durante questo “abbraccio” tra le cellule germinali, alla base della magia della vita.
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A cura di Andrea Centini
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Le immagini degli spermatozoi che raggiungono l'uovo per fecondarlo – a uno solo è “concesso” di unirsi – sono probabilmente note a tutti, ma i meccanismi molecolari complessi che si verificano durante questo meraviglioso abbraccio, che innesca lo sviluppo embrionale, non sono pienamente compresi ancora oggi. Grazie all'utilizzo di un supercomputer, un gruppo di ricerca è riuscito a far luce su alcuni dei misteri che caratterizzano questo incredibile processo alla base della vita. Ad esempio, è stato compreso meglio il motivo per cui subito dopo la fecondazione la cellula uovo rilascia numerosi ioni di zinco, grazie ai quali viene impedito agli altri spermatozoi di penetrare. Queste scoperte, secondo gli scienziati, potrebbero portare a nuovi metodi per trattare problemi di fertilità e sfociare in contraccettivi di nuova generazione.

Credit: Paulina Pacak / ETH Zurigo
Credit: Paulina Pacak / ETH Zurigo

A svelare i segreti della fecondazione è stato un team di ricerca internazionale guidato da due scienziati del Dipartimento di Scienze e Tecnologie della Salute dell'ETH di Zurigo (Svizzera), che hanno collaborato a stretto contatto con una collega del Centro per le NanoScienze presso l'Università Ludwig Maximilians di Monaco. I ricercatori, coordinati dalla professoressa Viola Vogel, hanno ottenuto questo risultato grazie a simulazioni condotte con il supercomputerPiz Daint” del Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS). Le complesse interazioni delle proteine coinvolte nella fecondazione, del resto non possono essere né osservate dal vivo né comprese attraverso la microscopia crioelettronica e la cristallografia, indagini che, seppur elegantissime, “congelano” le proteine e dunque offrono un'immagine statica di ciò che avviene. Attraverso una complessa simulazione al computer è invece possibile osservare questa interazione dinamicamente, cogliendo dettagli fondamentali altrimenti “invisibili”.

Credit: Forschungsgruppe Viola Vogel / ETH Zurigo
Credit: Forschungsgruppe Viola Vogel / ETH Zurigo

Grazie al Piz Daint, la professoressa Volgel e colleghi si sono concentrati sull'interazione tra due proteine, ovvero JUNO, che si trova sulla membrana esterna della cellula uovo, e IZUMO1 presente sulla superficie dello spermatozoo, come evidenziato in un comunicato stampa dell'ETH. Si tratta del primo contatto fisico che avviene quando uno spermatozoo tocca l'uovo. “Si presumeva che la combinazione delle due proteine in un complesso avviasse il processo di riconoscimento e adesione tra le cellule germinali, consentendo così la loro fusione”, ha dichiarato la coautrice dello studio Paulina Pacak. Col supercomputer è stato possibile comprendere meglio ciò che avviene. I ricercatori hanno simulato l'interazione tra le due proteine in una soluzione acquosa, grazie alla quale è stato dimostrato che il complesso JUNO-IZUMO1 viene stabilizzato da una serie di oltre 30 contatti di breve durata (non covalenti), con i singoli legami “durati meno di 50 nanosecondi ciascuno”.

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Questi fondamentali legami tra le due proteine, che permettono di fatto la fecondazione – dopo il contatto il citoplasma dell'uovo “abbranca” lo spermatozoo inglobandolo – sono influenzati dalla presenza dello zinco, un elemento che, come già specificato, viene rilasciato in abbondanza dopo la fecondazione dalla cellula uovo (la cosiddetta “scintilla transitoria dello zinco”). Quando c'è lo zinco, la proteina IZUMO1 “si piega in una struttura simile a un boomerang” e non permette di legarsi a JUNO. È in questo modo che verrebbe impedito agli altri spermatozoi di entrare nella cellula uovo, prevenendo la polispermia in grado di alterare il delicatissimo processo.

Gli scienziati hanno anche scoperto che la proteina JUNO non si lega singolarmente ai folati in una soluzione acquosa, ma lo fa solo dopo la congiunzione con IZUMO1. È un dettaglio molto importante perché queste sostanze (folati naturali e acidi folici) vengono raccomandati alle donne che vogliono restare incinte e nei primi mesi di gravidanza. Sono informazioni preziose poiché possono sfociare in nuovi metodi contraccettivi e farmaci in grado di contrastare l'infertilità. I dettagli della ricerca “Molecular dynamics of JUNO-IZUMO1 complexation suggests biologically relevant mechanisms in fertilization” sono stati pubblicati su Scientific Reports.

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