LA SUA SFIDA: capire come funzionano embrioni, cellule staminali e geni
Brasiliano di nascita, Marcos Simões-Costa studia gli embrioni e le cellule staminali per svelare come si sviluppano e come le reti di geni influenzano l’identità delle cellule. Il suo lavoro potrebbe portare a nuovi trattamenti per varie malattie, tra cui il cancro. La caratteristica di questo giovane scienziato è combinare i metodi embriologici classici con le più recenti tecnologie genomiche per dare risposte a questioni fondamentali della biologia dello sviluppo.
Infanzia in Amazzonia, studi a San Paolo e poi al Caltech
Da piccolo, trascorreva lunghi periodi con i nonni nella loro fattoria in Amazzonia. È qui, fra natura selvaggia e tucani, che sviluppa la sua passione per la scienza e l’evoluzione. Tuttavia, è guardando il video di un embrione in via di sviluppo durante una lezione di scienze alla scuola media che il ragazzo decide di diventare biologo, attratto dalla cellula che cambia forma.
Dopo aver concluso il dottorato di ricerca presso l’Università di San Paolo, il giovane si trasferisce al California Institute of Technology come Pew Latin American Fellow. Nel post-dottorato, si concentra a studiare le reti di regolazione genetica che guidano la formazione e la differenziazione delle cellule, generando tessuti specializzati. Simões-Costa vuolecapire che cosa fanno i singoli geni ma anche come funzionano a livello di sistema.
Il laboratorio di ricerca e la cresta neurale
Nel 2016, il giovane scienziato avvia un suo laboratorio di ricerca alla Cornell University. Poi, si sposta alla Harvard Medical School dove il suo team studia la decodifica dei programmi molecolari che indirizzano la differenziazione cellulare nell’embrione dei vertebrati.
Come modello, sceglie la cresta neurale dell’embrione. Si tratta di una popolazione di cellule staminali che svolge un ruolo cruciale nella genesi del piano corporeo dei vertebrati.
Tali cellule emergono dal sistema nervoso centrale in via di sviluppo e originano strutture complesse come, per esempio, i gangli periferici e lo scheletro cranio-facciale. Durante la fase embrionale, esse migrano verso altre parti dell’embrione stesso e danno origine a molti tipi di cellule diverse: da quelle ossee del viso a quelle scheletro-muscolari fino alle cellule cerebrali e nervose. Di fatto, fungono da sistema di sviluppo essenziale grazie alla loro motilità e alla capacità di formare vari tipi di cellule.
Il comportamento dei geni nelle cellule e la scoperta
Per anni, gli scienziati si sono chiesti perché le cellule della cresta neurale della regione cranica dell’embrione riescono a formare ossa e cartilagine, mentre quelle della regione del tronco non possono fare nessuna delle due. Eppure, sono simili fra loro.
Dopo essersi focalizzato a esaminare come i geni sono espressi in ogni tipo di cellula, il biologo brasiliano ha identificato i fattori di trascrizione e le proteine in grado di “accendere” e “spegnere” i geni presenti solo nelle cellule craniche. Da qui, la scoperta che un loro trapianto nelle cellule del tronco conferisce alle stesse la possibilità di creare cartilagine e ossa.
L’obiettivo di progettare cellule per la riparazione e rigenerazione
Da allora, Simões-Costacontinua a indagare le reti che influenzano la specializzazione delle cellule e come queste operano nello spazio per garantire che le cellule si differenzino nel momento e nel luogo giusti. Per farlo, utilizza la genomica funzionale.
Insieme al suo team di ricercatori, lo scienziato ha ricostruito in che modo l’intero set di istruzioni genetiche delle cellule della cresta neurale – il genoma – si ripiega in una forma compatta e tridimensionale. In questa fase di “ripiegamento”, le sequenze di DNA identificate nelle regioni lontane finiscono vicino ai geni chiave e lavorano come “regolatori” per controllare l’attività genica. L’obiettivo è riprodurre i programmi di sviluppo in vitro per progettare tipi di cellule utili per la riparazione e la rigenerazione.
La nuova frontiera delle cellule tumorali
Oggi, Simões-Costa usa le stesse cellule della cresta neurale anche per capire l’anomalo comportamento condiviso da alcune cellule embrionali con quelle tumorali in fase di tumorigenesi e metastasi. Entrambe, infatti, producono energia in modo anaerobico (cioè senza presenza di ossigeno), pur quando è presente. Nonostante studiato a lungo, il processo – chiamato “effetto Warburg” – resta sconosciuto.
Gli esperimenti del ricercatore brasiliano sul metabolismo delle cellule della cresta neurale hanno portato alla conclusione che tale meccanismo è necessario a far muovere le cellule durante lo sviluppo iniziale embrionale, mentre si disattiva in quelle adulte.
Tuttavia, per qualche ragione ancora ignota, se c’è il cancro si riattiva anche nelle cellule adulte dove era ormai silenziato, spingendole a migrare e diventare più invasive per il corpo umano. Questo potrebbe far riemergere i comportamenti embrionali e avviare la trasformazione maligna.
In che modo il modello genetico dice alle cellule dove si trovano nell’embrione e che cosa dovrebbero fare? Come le cellule cancerose potrebbero evitare l’effetto Warburg? Una soluzione potrebbe portare alla nuove ed efficaci terapie anticancro.
Il mistero del codice genetico
A distanza di anni dal progetto genoma umano (completato nel 2003), per molti aspetti, il manuale di istruzioni genetiche dell’uomo resta ancora un “segreto”. Simões-Costa è impegnato a esplorarlo e scrivere una nuova pagina.
Oggi, è professore associato presso il Dipartimento di Biologia dei Sistemi e il Dipartimento di Patologia della Harvard Medical School. Nel 2018, è stato inserito fra i cinquanta giovani scienziati più promettenti.
