Come una singola cellula sa dove costruire un occhio
Un uovo fecondato non ha occhi, né cuore, né destra o sinistra. Eppure nel giro di poche settimane produce un corpo in cui ogni organo si trova al posto giusto. Come fa una cellula che non ha mai visto un corpo a sapere dove va l’occhio? Questa domanda, resa popolare sulla piattaforma cinese di domande e risposte Zhihu, tiene occupati i biologi dello sviluppo da più di un secolo.
Il primo indizio è venuto da un’osservazione ingannevolmente semplice sul colore. La maggior parte degli animali con pelo o pelle bicolore è scura sul dorso e chiara sul ventre. Il motivo è così comune — topi, cervi, pesci, uccelli — che deve essere scritto nelle regole dello sviluppo, non appreso. La ragione è chimica. Le cellule sul dorso e quelle sul ventre si trovano in ambienti diversi, e ciascuna rilascia molecole segnale diverse. Queste molecole si diffondono e formano gradienti, e una cellula legge la concentrazione locale per decidere cosa diventare. Il colore è semplicemente il gradiente più facile da vedere.
Questa idea ha una famosa storia d’origine. Negli anni ‘20, l’embriologo tedesco Hans Spemann e la sua studentessa Hilde Mangold trapiantarono un piccolo frammento di tessuto da un embrione di anfibio a un altro. Il tessuto trapiantato non solo sopravvisse. Diede istruzioni alle cellule circostanti di costruire un intero secondo asse corporeo, producendo un girino a due teste. Il frammento divenne noto come organizzatore, e l’esperimento vinse un premio Nobel. Dimostrò che gli embrioni non sono costruiti da un progetto fisso, ma da conversazioni tra cellule.
La genetica moderna ha riempito il vocabolario. Un piccolo insieme di geni — battezzati Hox, Pax6 e Sonic hedgehog — funge da coordinate lungo il corpo. Pax6, per esempio, contribuisce ad attivare la formazione dell’occhio. Notevolmente, lo stesso gene svolge il compito in moscerini della frutta, topi e esseri umani. Attivalo nel posto sbagliato in una mosca e un occhio cresce su una zampa. L’evoluzione riutilizza lo stesso kit più e più volte, cambiando solo quando e dove ciascun gene si attiva.
I gradienti spiegano più del colore. Un arto in sviluppo deve sapere quale estremità è la spalla e quale la punta delle dita. Un tubo neurale deve sapere quale lato diventa cervello e quale midollo spinale. In ogni caso, un piccolo gruppo di cellule rilascia un segnale, il segnale si diffonde, e i vicini rispondono in base a quanto ne ricevono. È meno simile a un progetto e più simile al meteo — schemi che emergono da regole locali.
Gli scienziati in Cina e altrove ora mappano questi segnali cellula per cellula, usando marcatori fluorescenti e sequenziamento a singola cellula per osservare gli embrioni svilupparsi in tempo reale. Il lavoro ha un peso pratico. Capire come sono posizionati gli organi aiuta i ricercatori a coltivare tessuti sostitutivi da cellule staminali, e aiuta a spiegare perché alcuni difetti congeniti si verificano quando un gradiente è troppo debole, troppo forte o spostato.
La vecchia domanda — come fa una cellula a sapere dove va l’occhio — ora ha una risposta parziale. Non lo sa, esattamente. Percepisce i suoi vicini, legge la chimica intorno a sé e segue regole che l’evoluzione ha perfezionato per centinaia di milioni di anni. Il corpo non è un progetto. È un accordo.