Un approccio biofisico per comprendere in modo quantitativo la struttura dei cromosomi

Uno studio internazionale, che coinvolge anche l’Università Statale di Milano e pubblicato su Nature Structural and Molecular Biology, unisce tecniche biologiche avanzate e modellizzazione fisica per studiare le regole che determinano la struttura tridimensionale dei cromosomi in cellule viventi. Il risultati dello studio pongono un nuovo tassello nella comprensione quantitativa dei meccanismi di espressione dei geni.

In uno sforzo internazionale che coinvolge diversi centri di ricerca europei insieme a Guido Tiana, docente di Fisica della materia presso il dipartimento di Fisica "Aldo Pontremoli" dell'Università Statale di Milano, si è sviluppato un metodo per investigare la struttura dei cromosomi in cellule vive. Il metodo ha alla base un modello fisico che permette di interpretare i dati in modo rigoroso, restituendo il valore numerico della probabilità di contatto tra le diverse regioni dei cromosomi. Nel caso di cellule staminali embrionali di topo si è potuto dimostrare che i cromosomi formano piccoli domini, e che riposizionando una particolare proteina chiamata CTCF è possibile variare in modo controllato la struttura di questi domini.

Lo sviluppo di tecniche di investigazione biologica sempre più raffinate permette oggi una comprensione quantitativa, e non più solo qualitativa, dei meccanismi che avvengono negli organismi. Per esempio, è possibile studiare non solo se due molecole siano tout court in contatto o meno all'interno di una cellula vivente, ma anche quantificare quale sia la probabilità di tale contatto. Questo è importante perché diversi meccanismi di regolazione della cellula agiscono modulando gradatamente queste probabilità: non secondo uno schema bianco/nero, ma variando le diverse tonalità di grigio.

Questo procedere della biologia verso una descrizione quantitativa dei fenomeni la avvicina progressivamente alla fisica, che ha sempre cercato, da Galileo in poi, di costruire modelli quantitativi della realtà. Come avviene in altri campi della conoscenza, anche qui le barriere tra le diverse discipline si sgretolano costantemente e ci si muove verso un approccio via via sempre più multidisciplinare. Usare modelli fisici, fatti di numeri ed equazioni, per comprendere i meccanismi biologici diventa quindi indispensabile. Solo in questo modo è possibile dar conto delle diverse tonalità di grigio quando le variazioni nella cellula non sono da bianco a nero.

Un esempio di sinergia virtuosa tra biologia e fisica si ha nello studio della struttura tridimensionale dei cromosomi. Durante la normale vita delle cellule, i cromosomi sono ripiegati nel nucleo in una struttura non casuale, in cui le diverse parti sono in contatto tra loro con probabilità ben definite. Queste probabilità sono importanti perché il loro valore contribuisce al controllo dell’espressione dei geni contenuti nei cromosomi. Finora queste informazioni strutturali sono state ottenute usando trattamenti chimici che uccidevano le cellule, introducendo quindi potenziali artefatti nei risultati e questionando la loro interpretazione a livello quantitativo.