La chemiotassi (o chemotassi) è un tipo di tassia, un fenomeno biologico che consiste nella capacità di cellule, batteri e altri organismi uni- o pluricellulari di orientare i propri movimenti in risposta alla presenza di specifiche sostanze chimiche nell'ambiente circostante. Il termine deriva dal neologismo composto dai vocaboli greci χημεία (chemeia, "chimica") e τάξις (taxis, "schieramento" o "ordine").
Questo meccanismo è fondamentale per i batteri, che possono così individuare fonti di nutrimento – come il glucosio – e muoversi verso le aree a maggior concentrazione di tali molecole. Negli organismi pluricellulari, la chemiotassi riveste un ruolo cruciale sia nelle prime fasi dello sviluppo – ad esempio nel processo di fecondazione, quando lo spermatozoo si dirige verso l'uovo – sia nelle fasi successive, come durante la migrazione dei neuroni o dei linfociti. È una componente essenziale anche per il mantenimento delle funzioni fisiologiche.
Inoltre, si è osservato che i meccanismi che regolano la chemiotassi possono essere alterati in condizioni patologiche, come nella metastasi tumorale, dove vengono sovvertiti per favorire la dispersione delle cellule cancerose.
Storia della ricerca sulla chemiotassi
La migrazione cellulare è stata osservata sin dai primi sviluppi del microscopio, grazie ai lavori di pionieri come Antonie van Leeuwenhoek. Tuttavia, una descrizione scientifica rigorosa della chemiotassi non comparve prima degli studi di T. W. Engelmann nel 1881), seguiti da quelli di Wilhelm Pfeffer nel 1884 sui batteri e di Herbert S. Jennings nel 1906 sui ciliati. Anche il premio Nobel Il'ja Il'ič Mečnikov contribuì in modo significativo a questo campo, interpretando la chemiotassi come una fase iniziale del processo di fagocitosi.
L'importanza della chemiotassi in biologia e in medicina clinica venne ufficialmente riconosciuta a partire dagli anni Trenta del XX secolo, quando furono formulate per la prima volta le definizioni chiave del fenomeno. Negli anni Cinquanta, H. Harris approfondì i principali aspetti legati al controllo di qualità delle analisi chemiotattiche. Successivamente, negli anni Sessanta e Settanta, i progressi rivoluzionari della biologia cellulare e della biochimica resero disponibili nuove tecniche sperimentali per lo studio del movimento cellulare e delle componenti subcellulari coinvolte nelle risposte chemiotattiche. Tra gli studi più rilevanti si distinguono quelli di Julius Adler, che hanno rappresentato una svolta nella comprensione dei meccanismi di trasduzione del segnale nei batteri.
Più recente, nel 2006, Dennis Bray dell'Università di Cambridge è stato insignito del Microsoft European Science Award per le sue ricerche sulla chemiotassi in Escherichia coli, riconosciute come un contributo fondamentale alla biologia computazionale e alla comprensione dei sistemi di segnalazione nelle cellule.BBC NEWS | Science/Nature | Computer bug study wins top prize retrieved November 6, 2006
Filogenesi e segnali chemiotattici La chemiotassi rappresenta una delle risposte fisiologiche cellulari più fondamentali. Fin dalle origini della vita, lo sviluppo di sistemi di rilevamento capaci di riconoscere sostanze vantaggiose o pericolose nell'ambiente ha avuto un ruolo cruciale per gli organismi unicellulari. Studi condotti sul protozoo eucariote Tetrahymena pyriformis, insieme all'analisi delle sequenze di comparsa degli amminoacidi nel brodo primordiale, suggeriscono una correlazione tra il carattere chemiotattico di alcune semplici molecole organiche e le fasi della loro formazione sulla Terra. In particolare, si ipotizza che i primi amminoacidi ad apparire fossero fortemente chemioattrattivi – come glicina, acido glutammico e prolina – mentre quelli comparsi nelle fasi successive, come tirosina, triptofano e fenilalanina, avessero proprietà chemiorepellenti.The 'Optimal' Chemotactic Ligand - Amino acids retrieved February 3, 2008
Chemiotassi nei batteri I batteri come Escherichia coli possiedono tipicamente da 4 a 10 flagelli per cellula. Questi flagelli possono ruotare in due direzioni, determinando diverse modalità di movimento: rotazione antioraria (counterclockwise): i flagelli si allineano in un unico fascio rotante e il batterio si muove in linea retta (run); rotazione oraria (clockwise): il fascio si disgrega, i flagelli puntano in direzioni diverse e il batterio cambia improvvisamente orientamento con un movimento detto tumble. Queste rotazioni sono descritte dal punto di vista di un osservatore esterno che guarda verso la cellula.
Comportamento motile Il movimento globale di un batterio risulta da un'alternanza di fasi di nuoto rettilineo e tumble. In un ambiente uniforme, questo genera una traiettoria apparentemente casuale simile a un random walk, con brevi tratte diritte interrotte da cambi di direzione casuali.
I batteri non sono in grado di mantenere una traiettoria diritta per più di pochi secondi, a causa della diffusione rotazionale, e non possono scegliere in anticipo la direzione da seguire. Tuttavia, sono capaci di orientare il proprio movimento in presenza di un gradiente chimico, tramite il processo di chemiotassi. Se percepiscono di muoversi verso un attrattante (ad esempio una fonte di cibo), prolungano la fase di movimento rettilineo; se invece si allontanano dalla sorgente desiderata, interrompono presto il movimento con un tumble, per cambiare direzione. Questo comportamento si basa sulla percezione temporale della concentrazione chimica: i batteri confrontano continuamente la situazione presente con una recente, determinando se "le cose stanno migliorando o peggiorando".
Questo sofisticato sistema di navigazione, basato su una semplice alternanza di run e tumble, consente ai batteri di individuare e mantenere la posizione grazie a minime variazioni del gradiente di concentrazione.
Struttura del flagello e risposta immunitaria Il movimento è reso possibile dalla struttura elicoidale del flagello, formato da unità ripetute di una proteina chiamata flagellina, altamente conservata tra i batteri flagellati. L'evoluzione ha dotato i vertebrati di un recettore immunitario (TLR5) che riconosce questa proteina, permettendo loro di rilevare infezioni batteriche.
Alcuni batteri, come quelli del genere Vibrio, possiedono un singolo flagello polare e adottano una strategia chemiotattica diversa. Altri presentano flagelli completamente alloggiati all'interno della parete cellulare e si muovono ruotando l'intera cellula come una vite. ISBN 0-387-00888-8
Trasduzione del segnale chemiotattico I batteri percepiscono i gradienti chimici tramite recettori transmembrana chiamati MCP (methyl-accepting chemotaxis proteins), ognuno dei quali è sensibile a specifiche molecole attrattive o repulsive. Questi recettori trasmettono segnali alla membrana citoplasmatica, dove attivano una cascata di proteine chemiotattiche, note come proteine Che.
Regolazione dei flagelli La proteina CheA, una chinasi a istidina, si associa al recettore MCP insieme a CheW. In assenza di attrattanti, CheA si autofosforila e trasferisce il gruppo fosfato a CheY e CheB. Quando CheY è fosforilata, interagisce con la proteina del motore flagellante FliM, inducendo il tumble. In presenza di attrattanti, la fosforilazione di CheA viene inibita, impedendo la fosforilazione di CheY, che non interagisce con il flagello: il batterio continua quindi la sua fase di nuoto rettilineo.
Regolazione dei recettori CheB, una volta fosforilata da CheA, rimuove gruppi metilici dai residui di glutammato sui recettori, mentre CheR aggiunge gruppi metilici ai medesimi residui. Questo bilanciamento modula la sensibilità del recettore e permette al batterio di adattarsi a diverse concentrazioni di attrattanti nel tempo, creando una sorta di "memoria chimica".
Oltre a questo sistema di metilazione, altre strategie regolatorie – come il clustering dei recettori e le interazioni tra recettori – contribuiscono a mantenere la precisione del segnale in un'ampia gamma di condizioni ambientali.
Chemiotassi eucariotica Il meccanismo mediante il quale le cellule eucariotiche effettuano la chemiotassi è profondamente diverso da quello utilizzato dai batteri; tuttavia, in entrambi i casi la percezione dei gradienti chiici rimane un passaggio cruciale.
Nei procarioti, le ridotte dimensioni cellulari impediscono una percezione diretta dei gradienti di concentrazione. Per ovviare a questo limite, essi esplorano l'ambiente mediante un movimento continuo, alternando sequenze di nuoto lineare (run) e rotazioni sul posto (tumble), durante le quali valutano i cambiamenti nella concentrazione chimica.
Al contrario, le cellule eucariotiche, grazie alle loro dimensioni maggiori, sono in grado di rilevare differenze di concentrazione sui due lati della cellula, e quindi di percepire direttamente un gradiente. Ciò porta a una distribuzione asimmetrica e dinamica dei recettori sulla membrana plasmatica: l'attivazione differenziale di questi recettori da parte di molecole chemoattrattive o chemiorepellenti determina la direzione della migrazione cellulare.
Le cellule eucariotiche impiegano diversi meccanismi effettori per muoversi: organismi unicellulari come Amoeba o Tetrahymena utilizzano, rispettivamente, la locomozione ameboide e il movimento ciliato o flagellare. Nelle cellule eucariotiche dei vertebrati, in particolare nelle cellule del sistema immunitario (granulociti, monociti, linfociti), la chemiotassi guida lo spostamento verso i siti in cui sono necessarie, analogamente agli organismi unicellulari.
Anche altre cellule, tradizionalmente considerate stazionarie nei tessuti (come mastociti, fibroblasti, cellule endoteliali), possono diventare mobili in particolari condizioni fisiologiche o patologiche, come durante processi infiammatori o metastasi tumorali.
La chemiotassi svolge inoltre un ruolo fondamentale nelle prime fasi dell'embriogenesi: i gradienti di molecole segnale guidano processi cruciali come la formazione e il posizionamento dei foglietti germinativi.
Motilità A differenza dei batteri, il processo mediante il quale le cellule eucariotiche realizzano la chemiotassi non è ancora completamente compreso. Si ritiene che un gradiente di sostanze chemioattrattive esterno venga percepito e tradotto in un gradiente intracellulare di PIP3, che a sua volta attiva vie di segnalazione responsabili della polimerizzazione dei filamenti di actina. L'accrescimento distale di actina determina la formazione di connessioni con la faccia interna della membrana plasmatica, tramite peptidi specifici, portando alla protrusione degli pseudopodi.
Anche i flagelli o le ciglia delle cellule eucariotiche possono contribuire alla chemiotassi, sebbene in questo il meccanismo sia per lo più dipendente da variazioni di concentrazioni di ioni calcio che influenzano l'attività dei microtubuli nei corpi basali e nel tipico fascio 9×2+2 dei microtubuli ciliare. Il movimento coordinato di centinaia di ciglia è sincronizzato da un complesso sistema di connessioni sottomembrana tra i corpi basali. Tuttavia, i dettagli di questa via di segnalazione rimangono ancora in gran parte sconosciuti.
Forme correlate di locomozione cellulare Oltre alla chemiotassi, esistono altre forme di migrazione cellulare indotte da segnali chimici: chemiochinesi: è la risposta locomotoria indotta da molecole nell'ambiente, ma priva di orientamento direzionale. L'intensità e la frequenza del movimento non mostrano relazione con un gradiente spaziale; aptotassi: a differenza della chemiotassi classica, il gradiente della sostanza attrattiva è legato a una superficie e non disperso in soluzione. La matrice extracellulare (ECM) rappresenta la principale superficie biologicamente attiva nella quale avvengono processi aptotattici, come la migrazione transendoteliale e l'angiogenesi;