Dal rumore genomico al linguaggio biologico i microRNA vegetali sono un sistema che interconnette e tiene insieme il vivente.
Piccoli RNA non codificanti che non trasmettono informazione nuova, ma decidono come, quando e dove l’informazione diventa azione. Nelle piante, questa logica raggiunge una forma particolarmente radicale: l’RNA non è solamente un intermediario tra DNA e proteina, ma un sistema di comunicazione, di difesa, di coordinamento dello sviluppo e, in alcuni contesti, una vera e propria arma molecolare. I microRNA vegetali sono mobili, non restano confinati all’organismo che li produce e possono attraversare confini biologici, interferire con l’espressione genica di funghi, insetti e, in condizioni sperimentali, persino dei mammiferi. Attraverso i miRNA vegetali e il fenomeno del cross-kingdom regulation, con questo articolo racconteremo una storia impalpabile e speculativa: quella di una comunicazione molecolare che non vediamo e che non parla il linguaggio dei geni, ma ne governa l’uso, aprendo prospettive biologiche ed evolutive che oggi iniziano a tradursi anche in applicazioni biotecnologiche.
Un Ritorno
Dopo una lunga assenza — e dopo una laurea finalmente ottenuta, che useremo senza alcun pudore come principio di autorità per sostenere le tesi di questo non troppo umile blog — abbiamo deciso di tornare a pubblicare. Non con la regolarità di un tempo, ma con la stessa gioia. Vi diamo quindi di nuovo il benvenuto su Un mondo immenso.
L’argomento di oggi non rientra tra quelli più semplici, ma ha avuto il merito di riaccendere quella scintilla fondamentale: la meraviglia. Ancora una volta ci siamo lasciati rendere schiavi della curiosità. Ed è da lì che ripartiamo, provando a rendervi partecipi — per quanto possibile — della complessità affascinante di un mondo profondamente simbiotico e interconnesso.
Oggi torniamo a parlare di comunicazione. Più precisamente, di piante e di uno dei molti modi con cui sono in grado di produrre, modulare e trasmettere informazione biologica. Un sistema che non resta confinato all’organismo vegetale ma oltrepassa i regni estendendosi ad altre piante, funghi, patogeni, insetti e, in condizioni specifiche — spesso mediate dall’intervento umano — persino ai mammiferi, aprendo la strada a implicazioni che arrivano fino a potenziali applicazioni terapeutiche e agricole.
Senza appesantire il discorso con le consuete premesse epistemologiche, consigliamo a chi arriva ora di recuperare il primo articolo di questa playlist. Quello che segue non pretende di essere esaustivo: è un esempio concreto di comunicazione biologica, uno dei molti, basato sull’uso dei microRNA.
Infine, poiché il tema non è dei più immediati e perché una divulgazione onesta deve restare accessibile, abbiamo inserito una breve sezione di biologia di base. Serve a chiarire i fondamenti molecolari necessari per apprezzare fino in fondo la straordinarietà di ciò di cui stiamo parlando. Chi ha già familiarità con questi concetti può saltarla senza sensi di colpa.
sistemi interconnessi e regolati
Il dogma (quasi) centrale della Biologia
Cercando di essere brevi, per molto tempo la biologia molecolare si è raccontata attraverso un dogma semplice e rassicurante: l’informazione fluisce solamente dal DNA all’RNA, dall’RNA alla proteina. Il DNA conserva l’informazione genetica, l’RNA la trascrive e la rende disponibile, la proteina la esegue sotto forma di funzione biologica. Questo schema, noto come dogma centrale, ha avuto un valore enorme perché ha fornito una mappa concettuale di base per capire come la vita utilizza l’informazione.
Tuttavia, già da tempo sappiamo che questa mappa è una semplificazione eccessiva. Non perché sia di per se sbagliata, ma perché è incompleta. l’informazione, nella vita, non scorre come una catena di montaggio lineare, bensì come una rete dinamica di reazioni chimiche probabilistiche, vincolate da quantità, tempi, contesto e disponibilità di risorse. Esistono eccezioni evidenti al flusso classico — retrotrascrizione, RNA funzionali non codificanti, editing genetico, etc— ma soprattutto esiste un fatto più profondo: la presenza di un’informazione non coincide con il suo utilizzo.
Come ha ben mostrato Philip Ball in How Life Works, ormai onnipresente nei nostri articoli, la vita non è governata da istruzioni rigide, ma da equilibri chimici, flussi favoriti, competizione tra pathway alternativi. I sistemi biologici non scelgono “cosa fare”, ma tendono verso stati più probabili, regolati da vincoli fisici, energetici e molecolari. In questo contesto, il dogma centrale non descrive il funzionamento della vita, ma solo la sua grammatica di base.
Perché serve la regolazione
Se DNA, RNA e proteine fossero usati in modo diretto, indiscriminatamente e costantemente, la cellula sarebbe inefficiente, rumorosa, instabile e non sarebbe… viva. In realtà, la maggior parte dei geni non è espressa sempre, ovunque e nello stesso modo. La regolazione genica e proteica è quindi quell’insieme di meccanismi che determinano se, quando, dove e quanto un gene contribuisce al funzionamento della cellula.
Produrre una proteina costa energia, tempo e materia prima (amminoacidi). Mantenerla attiva costa ancora di più. Per questo la regola dell “massima efficienza funzionale” è una necessità evolutiva: ottenere l’effetto necessario con il minimo dispendio compatibile con la sopravvivenza. Non sempre con il minimo assoluto, ma con il minimo sufficiente e selezionabile.
Ed è qui che emerge un’apparente contraddizione: molte proteine vengono prodotte per essere degradate rapidamente. Alcune sono vere e proprie sentinelle molecolari, come HIF, p53 o molti fattori di risposta allo stress (di cui abbiamo già parlato), la cui funzione dipende proprio dalla loro instabilità. La loro rapida degradazione permette risposte veloci e reversibili. Altre proteine, invece, sono il risultato di ridondanze evolutive, di circuiti regolativi incompleti o di vincoli storici o fisici: non tutto ciò che viene espresso è ottimizzato, e proprio per il suo stesso funzionamento l’evoluzione non pulirà ed efficienterà mai completamente il sistema. La perfezione non esiste, esiste il meno peggio, il minimo funzionante.
La regolazione, quindi, non elimina lo spreco: lo rende tollerabile. Trasforma un sistema imperfetto in uno sufficientemente robusto.
Livelli di regolazione: una visione d’insieme
Un punto cruciale è che la regolazione non avviene in un solo punto. Non esiste un “interruttore principale”. L’espressione genica è controllata a più livelli, ciascuno con vantaggi e limiti diversi in termini di velocità, costo energetico e precisione. Regolare a monte è più economico, ma più lento; regolare a valle è più costoso, ma estremamente rapido e fine. Anche in questo caso si tratta di equilibri, trade off, e quello che l’evoluzione, con i suoi limiti, ha scoperto e conservato per risolvere un problema.
Senza entrare nel dettaglio di ciascun meccanismo, è utile avere una mappa mentale dei principali livelli di controllo, perché i miRNA si inseriscono esattamente in questo mosaico.
In ogni caso, il tema della regolazione genica verrà ripreso in articoli futuri, con l’intento di discutere un lavoro attualmente in preprint che descrive la scoperta di un nuovo meccanismo: l’interferenza sterica nel folding proteico che avviene contestualmente allo svolgimento della traduzione a livello dei ribosomi.
Perché tutto questo è rilevante per i miRNA
In tutto questo mosaico di elementi regolatori dell’espressione genica anche i miRNA ne occupando una nicchia: quella del controllo post-trascrizionale. Capire cosa sono e cosa fanno ha senso solo se prima si comprende che la biologia funziona per regolazioni distribuite e che gli esseri viventi, per quello che ci è dato di conoscere, parlano tutti la stessa lingua, certo esistono i dialetti, ma la base è comune.
Ed è proprio questa logica distribuita che rende possibile, come vedremo, l’estensione della regolazione anche oltre il singolo organismo e attraverso i regni.
Ma cosa sono i microRNA?
I microRNA (miRNA) sono una categoria di RNA “non codificanti” -cioè non tradotti in proteina- etichetta che dice più su ciò che non fanno che su ciò che sono. Dal punto di vista teorico, i miRNA rappresentano un livello di regolazione dell’informazione biologica che opera per sottrazione, non per aggiunta. Non introducono nuove istruzioni, ma modulano l’accesso a quelle già presenti, agendo come filtri quantitativi sull’espressione genica. In questo senso, non funzionano come interruttori binari, ma come regolatori della probabilità che un messaggio genetico venga tradotto in una funzione biologica.
Un miRNA è una breve sequenza (20-30nt) di RNA che riconosce altri RNA per complementarità di basi. Come detto, questo appaiamento specifico non ha come obiettivo la trasmissione dell’informazione, ma il suo controllo: legandosi a un trascritto, il miRNA ne riduce la stabilità o ne limita la traduzione, modificando l’output proteico senza alterare il genoma e la sua espressione sottostante. È un meccanismo post-trascrizionale che introduce un principio fondamentale nella biologia moderna: la dissociazione tra presenza di un gene e livello effettivo della sua attività.
Da un punto di vista concettuale, i miRNA permettono alla cellula di rispondere in modo graduale, contestuale e reversibile a segnali interni ed esterni, attenuando il rumore biologico e rendendo robusti i processi di sviluppo e di adattamento. Non determinano “cosa” viene espresso, ma “quanto”, “quando” e “dove” (nell’ottica di un organismo pluricellulare, come lo siamo noi), introducendo una dimensione regolatoria che il dogma centrale, nella sua formulazione classica, non era in grado di comprendere.
In altre parole, i miRNA non sono messaggeri, ma mediatori. Non portano informazione nuova, ma stabiliscono relazioni tra informazioni esistenti. È proprio questa natura relazionale — più che la loro sequenza o la loro origine molecolare — a renderli strumenti ideali non solo per il controllo interno dell’espressione genica, ma anche, come vedremo, per l’estensione della comunicazione biologica oltre i confini dell’organismo e della specie, poiché i nucleotidi che permettono di formare l’RNA e il DNA alla base della vita sono uguali in tutte le specie.
miRNA Vegetali vs Animali
Chiarito cosa sono i microRNA e perché rappresentano un livello cruciale della regolazione genetica, è ora possibile restringere il campo. Tra tutte le forme di regolazione a RNA, i miRNA vegetali costituiscono un caso particolare: non solo per le loro caratteristiche molecolari, ma perché possono portare questa logica regolativa oltre i confini dell’organismo, aprendo il discorso sulla comunicazione cross-kingdom che è al centro di questo articolo.
Il processo di sintesi dei miRNA negli organismi vegetali presenta alcune differenze con quello degli altri organismi. Innanzitutto, i pri-miRNA vengono trascritti esclusivamente dalla RNA polimerasi 2, al contrario di altri organismi animali, dove partecipa al processo anche la RNA polimerasi 3. Ulteriormente, a differenza degli animali che utilizzano il complesso Drosha, i pri-miRNA vegetali vengono processati da una proteina Dicer-like, detta DCL1, che rimuove la coda di poli-A e porta alla formazione dei pre-miRNA che, in seguito a tagli successivi, forma il duplex miRNA/miRNA*. In seguito, il duplex viene metilato all’estremità 3’ dal complesso HEN1 – questa metilazione aiuta a proteggere il duplex dalla degradazione ed è fondamentale per permettere la sintesi del miRNA. Dopodiché il duplex viene trasportato dal nucleo al citoplasma, dove solo uno dei due filamenti viene incorporato sul complesso RISC mentre l’altro viene degradato.
Inoltre, i miRNA vegetali, oltre alla differente biosintesi, hanno una lunghezza quasi sempre costante di 21nt, mentre i miRNA animali hanno una lunghezza variabile tra i 21 e i 23 nt. Questa differenza di omogeneità suggerisce che i miRNA vegetali siano molto più specifici rispetto a quelli animali, dove invece uno stesso miRNA può avere differenti target. Si possono trovare differenze anche nel riconoscimento e nella localizzazione dei target dei miRNA, così come nella loro modalità d’azione. Negli animali, i siti complementari dei miRNA si trovano spesso nelle regioni non tradotte 3′ (3′ UTR), mentre nella maggior parte delle piante sono presenti quasi esclusivamente all’interno delle regioni dell’open reading frame. I miRNA vegetali esibiscono complementarità alta o perfetta con i loro siti target, mentre i miRNA animali possono legarsi a siti target multipli con minore complementarità.
Questo si riflette sui meccanismi di azione dei differenti miRNA, infatti i miRNA vegetali reprimono principalmente l’espressione genica tagliando direttamente gli mRNA target a livello post-trascrizionale, mentre i miRNA animali reprimono principalmente la traduzione dei geni target impedendo l’inizio o l’allungamento traduzionale. Nonostante le differenze nel riconoscimento dei target, i miRNA vegetali possono anche indurre repressione traduzionale oltre al taglio del target. I miRNA nelle piante sono molto meno conservati e più specie-specifici rispetto a quelli animali. Questo è probabilmente legato alla grande dinamicità dei genomi vegetali dovuta anche all’azione dei trasposoni, che creano frequentemente inverted repeats casuali processabili da DCL1 in potenziali nuovi miRNA, e ai frequenti eventi di poliploidia e duplicazioni geniche. Questa plasticità genomica è funzionale alla necessità delle piante di adattarsi rapidamente ad ambienti specifici. I nuovi miRNA rappresentano quindi uno strumento evolutivo rapido per l’adattamento a condizioni ecologiche specifiche.
Ruoli dei miRNAs vegetali
Abbiamo quindi preparato un’infografica sui diversi ruoli che svolgono i miRNA vegetali, precisiamo che è stata generata con NotebookLM, quindi, anche in questo caso, non è esente da imprecisioni e allucinazioni, in futuro, possibilmente verrà sostituita:
L’origine evolutiva dei miRNA Vegetali
L’origine genetica-molecolare dei miRNA vegetali va cercata in quei meccanismi, antichissimi, che permettono alle piante di difendersi da virus e trasposoni. Le piante, più di altri eucarioti, vivono immerse in un genoma instabile, ricco di elementi mobili, duplicazioni, poliploidie. Questo caos strutturale ha creato il terreno ideale per la nascita accidentale di piccoli RNA regolatori.
Il punto di partenza più accreditato è la formazione casuale di inverted repeats nel DNA. Trasposoni, duplicazioni parziali e riarrangiamenti cromosomici generano sequenze che, una volta trascritte, possono appaiarsi formando forcine a doppio filamento. Dal punto di vista della cellula, queste strutture non sono segnali di “regolazione fine”, ma campanelli d’allarme poiché ricordano RNA virali o trasposonici. Ne consegue che il macchinario di RNA silencing, già presente per difesa, le intercetta.
A questo stadio iniziale non parliamo ancora di veri miRNA, ma di proto-miRNA: RNA a forcina che vengono occasionalmente processati da Dicer-like (DCL), producendo piccoli RNA capaci di guidare AGO contro trascritti complementari. La maggior parte di questi eventi è neutra o deleteria e quindi non selezionata positivamente. Ma ogni tanto succede uno di questi proto-miRNA può trovare complementarietà con un gene la cui modulazione quantitativa è vantaggiosa. A quel punto la selezione naturale smette di “tollerare” l’RNA e inizia a conservarlo.
Nelle piante questo processo è stato favorito da due caratteristiche chiave. La prima è che tutta la biogenesi dei miRNA avviene nel nucleo, con DCL1 che processa direttamente il pri-miRNA. Questo rende il sistema più permissivo alla nascita di nuovi miRNA: basta una forcina minimamente riconoscibile, non serve un’architettura complessa come negli animali. La seconda è la metilazione 3’-O operata da HEN1, che stabilizza il prodotto finale. Una volta che un piccolo RNA entra in questo circuito, diventa chimicamente robusto e quindi “selezionabile”.
Dal punto di vista evolutivo, si osserva infatti una distinzione netta tra miRNA “antichi” e miRNA “giovani”. I primi, come miR156, miR160, miR166, sono altamente conservati tra specie vegetali distanti e regolano processi fondamentali dello sviluppo. I secondi sono spesso specie-specifici, poco espressi, con target deboli o incerti. Questo non è un difetto: è esattamente ciò che ci aspettiamo da un sistema in continua sperimentazione evolutiva. Le piante “provano” nuovi miRNA continuamente; pochissimi superano il vaglio della selezione e diventano regolatori centrali.
Un altro aspetto curioso, ma logico, è che nelle piante il bersaglio precede sempre il miRNA, non il contrario. Molti miRNA vegetali nascono da duplicazioni parziali dei loro stessi target. In pratica il gene bersaglio fornisce il materiale genetico per creare il miRNA che poi lo regolerà. In un certo senso si tratta di exaptation, di residui evolutivi o di duplicazioni postume a geni già attivi, è una forma di autoregolazione evolutiva. Questo spiega perché la complementarità miRNA–target nelle piante sia spesso quasi perfetta a differenza di quella animale: banalmente condividono un’origine comune.
I miRNA vegetali sono quindi detriti genomici addomesticati, nati come sottoprodotti di instabilità genetica e riconvertiti in strumenti di regolazione fine. Quindi, il fatto che oggi orchestrino tantissimi ruoli chiave nelle piante, tra cui anche una forma di comunicazione cross-kingdom è un risultato adattativo di riciclo e spesso, come vedremo, di coevoluzione.
Comunicazione interspecifica
Quando parliamo di comunicazione interspecifica non intendiamo uno scambio intenzionale di segnali, ma l’emergere di interazioni molecolari funzionali tra organismi differenti. In questo contesto, la comunicazione non è reciproca e voluta, ma tollerata, sfruttata e infine stabilizzata.
La premessa sull’origine evolutiva serviva a sottolineare come i miRNA non siano nati come strumenti di comunicazione interspecifica. La loro funzione originaria è quella di regolatori dello sviluppo. Solo successivamente, e in modo opportunistico, questi stessi strumenti sono stati cooptati per agire al di fuori del corpo della pianta.
Perché i miRNA vegetali possono attraversare regni?
La capacità dei miRNA vegetali di superare i confini tra specie e regni non è casuale, ma il risultato di precise proprietà molecolari. Innanzitutto, la loro stabilità chimica: la metilazione in posizione 3’-O li rende meno suscettibili alla degradazione enzimatica rispetto ai miRNA animali. A questo si aggiunge, come vedremo dopo, una protezione fisica, poiché molti miRNA vegetali vengono veicolati all’interno di nanovescicole lipidiche, come le plant extracellular nanovesicles (PENs), che li schermano dall’ambiente extracellulare e ne facilitano il trasporto.
Un ulteriore elemento chiave è la conservazione funzionale: la presenza di omologie sufficienti tra i miRNA vegetali e specifici mRNA delle specie bersaglio, in particolare nella seed region, consente l’interferenza con pathway molecolari condivisi. Non si tratta di una compatibilità universale, ma di finestre molecolari, evolute per exaptation, in cui regolatori nati in un contesto trovano bersagli funzionali in un altro. Introdotto il tema, è ora possibile entrare negli esempi concreti.
Piante → Piante
Partendo dal caso apparentemente più semplice, e forse evolutivamente più facile da immaginare: la comunicazione pianta–pianta, affermo che sia il più facile da immagine poiché la perfetta complementarietà dei mirna, è quindi un loro utilizzo al di fuori dell’organismo individuale di provenienza, può derivare semplicemente da una filogenesi comune al posto che da casi di coevoluzione tra diversi regni – o patwhays condivisi per analogia- come vedremo più avanti.
L’esempio che abbiamo deciso di portare per questa categoria è presentato dalla “Cuscuta campestris”. Cuscuta è un parassita obbligato che stabilisce una connessione fisica diretta con l’ospite attraverso gli austori. In questo contesto produce miRNA di 22 nucleotidi che vengono effettivamente ritrovati nei tessuti dell’ospite e, soprattutto, risultano funzionali: silenziano geni dell’ospite coinvolti nella risposta immunitaria e nel metabolismo, facilitando l’insediamento del parassita. Il punto cruciale qui non è solo che il miRNA si muove, ma che mantiene la capacità di essere caricato su un complesso RISC eterologo e di riconoscere target dell’altra pianta.
Lo stesso concetto viene rafforzato dagli esperimenti di co-coltura in Arabidopsis, dove piante che sovraesprimono miR156 o miR399 hanno mostrato di rilasciare questi miRNA nel mezzo di coltura e facendoli assorbire a piante wild type adiacenti. Non solo i miRNA vengono rilevati nei tessuti delle piante riceventi, ma i target endogeni vengono effettivamente down-regolati e i fenotipi osservati sono coerenti con la funzione nota di quei miRNA.
Questa idea che i miRNA possano fungere da segnali extracellulari tra piante cambia radicalmente il modo in cui pensiamo alle comunità vegetali in contesti ecologici naturali.
Piante → Funghi
Passando alla comunicazione pianta–fungo, il quadro diventa ancora più interessante perché qui il dialogo è spesso bidirezionale. I funghi patogeni, come Botrytis cinerea, producono piccoli RNA che vengono trasferiti nella cellula vegetale e sfruttano il macchinario di silencing della pianta per reprimere geni dell’immunità. Ma la parte davvero rilevante è che questo meccanismo è appunto bidirezionale. Le piante non sono vittime passive. Ad esempio, nella pianta di cotone, i miR159 e miR166 vengono trasferiti all’interno delle ife di Verticillium dahliae e silenziano geni di virulenza fungina. Lo stesso avviene anche in Arabidopsis contro Botrytis.
In un certo senso il “cross-kingdom silencing” è considerabile una vera e propria estensione del sistema di difesa basato su RNA. Ed è esattamente questa logica che ha portato allo sviluppo di strategie biotecnologiche come HIGS e SIGS. Se un fungo è in grado di assorbire RNA dall’ambiente, e se quel RNA può guidare il silencing di geni essenziali, allora spruzzare dsRNA o miRNA specifici sulle colture è un uso umano che sfrutta un meccanismo preesistente.
- HIGS, Host-Induced Gene Silencing: La pianta viene modificata geneticamente per esprimere dsRNA o miRNA complementari a geni essenziali del patogeno o del parassita. Quando il fungo o l’insetto entra in contatto con la pianta, assorbe questi RNA, che vengono processati dal suo macchinario di RNAi e portano al silenziamento dei geni bersaglio. Funziona particolarmente bene con i funghi, perché molti sono sorprendentemente efficienti nell’assorbire RNA dall’ambiente. Il vantaggio è la specificità e la continuità dell’effetto: la pianta produce l’RNA in modo costante e mirato. Il prezzo da pagare è ovvio: serve una pianta transgenica, con tutte le implicazioni regolatorie, ecologiche e politiche del caso.
- SIGS, Spray-Induced Gene Silencing: l’RNA viene applicato dall’esterno sotto forma di dsRNA o piccoli RNA spruzzati sulle foglie o sul suolo. Il patogeno assorbe direttamente l’RNA e attiva il silencing dei geni bersaglio. Non c’è modificazione genetica della pianta, e l’effetto è transitorio e modulabile. È meno stabile di HIGS, certo, ma enormemente più flessibile: cambi bersaglio, cambi spray. Inoltre sfrutta un meccanismo naturale già presente in molti funghi e insetti, senza forzare il sistema.
Piante → Insetti
Il salto verso gli insetti mantiene la stessa coerenza concettuale. Gli insetti erbivori ingeriscono grandi quantità di materiale vegetale, e con esso ingeriscono anche miRNA vegetali. In diversi casi questi miRNA sono stati rilevati nei tessuti degli insetti, non solo nel tratto digerente ma anche nell’emolinfa e in organi distanti. Nel caso del baco da seta, i miRNA del gelso attraversano l’epitelio intestinale e si distribuiscono sistemicamente. Questo dimostra che almeno alcuni miRNA vegetali sono sufficientemente stabili da sopravvivere a un ambiente digestivo ostile e da superare una barriera epiteliale animale.
L’esempio più meraviglioso, e secondo noi anche il più concettualmente potente, è quello dell’ape. Il polline contiene miR162a, che nelle larve di ape modula l’espressione di amTOR, un nodo centrale del controllo metabolico e dello sviluppo. Il risultato finale è un’influenza sul destino casteale: più dieta vegetale, più miRNA, repressione di amTOR quindi sviluppo ad operaia – al contrario, le regine che vengono nutrite con “pappa reale“, non reprimono amTOR. Bisogna in realtà precisare che la determinazione delle caste nelle api è una questione complessa e multifattoriale, soprattutto legata ad eventi epigenetici. Tuttavia il messaggio è quasi più provocatorio: una decisione di sviluppo fondamentale in un animale sociale complesso è influenzata anche da RNA prodotti da piante, un’altra specie.
Piante → Mammiferi
Senza dilungarmi troppo, Arriviamo infine alla parte più controversa e speculativa dello studio, quella pianta–mammifero. Il primo lavoro pionieristico del 2012 è stato quello sul miR168a del riso che regola LDLRAP1 nel fegato del topo che ha aperto il campo, ma ha anche attirato critiche feroci, spesso legittime. Le obiezioni riguardano la concentrazione dei miRNA, la possibilità di contaminazioni e la difficoltà di replicare alcuni risultati. Sarebbe intellettualmente disonesto ignorarlo. Tuttavia, liquidare l’intero fenomeno come artefatto è altrettanto superficiale.
Tuttavia ci sono casi molto più solidi, come il miR2911 del caprifoglio, che è straordinariamente stabile e resistente alla degradazione. Questo miRNA è stato tracciato nel tratto digestivo e nei tessuti di modelli murini e mostra un’attività antivirale diretta contro geni essenziali dell’influenza A e, in studi successivi, contro SARS-CoV-2 (colpisce i geni PB2 e NS1 dell’influenza). Molto stabile e veicolato in nanovescicole.
Esistono altri esempi che riguardano miRNA con attività antitumorale e immunomodulatoria ma vanno letti con attenzione, senza entusiasmo acritico e nemmeno con cinismo automatico. In molti casi gli effetti sono dimostrati in vitro o in modelli murini, e la traslazione all’uomo resta un problema aperto. Ma il punto concettuale rimane: esistono miRNA vegetali in grado di interagire con pathway animali conservati, come Wnt/β-catenina o mTOR, e di produrre effetti biologici misurabili.
PENs, applicazioni e criticità
Tuttavia se, come abbiamo visto, l’interazione con pathway animali conservati è possibile, allora il problema centrale diventa il destino extracellulare di queste molecole: la loro stabilità, il loro trasporto e le modalità con cui raggiungono cellule bersaglio in un contesto biologicamente ostile – biodisponibilità e farmacocinetica e dinamica. È in questo spazio che entrano in gioco le vescicole extracellulari come il vero mezzo attraverso il quale è possibile la comunicazione cross-species.
Le vescicole extracellulari (PENs)
Le vescicole extracellulari sono delle nanoparticelle biologiche secrete da tutti i tipi cellulari. Sono delimitare da un bilayer lipidico e non possono replicare autonomamente. Al loro interno le EVs trasportano un carico che riflette le caratteristiche della cellula d’origine.
Queste vescicole sono secrete fisiologicamente come mediatori del signalling intracellulare e per la regolazione di vari processi biologici, come ad esempio quelli legati al differenziamento cellulare. Durante la loro biogenesi le vescicole racchiudono al loro interno varie molecole presenti nel citosol della cellula madre, come proteine e acidi nucleici. E il contenuto di acidi nucleici è particolarmente significativo dato che sono le molecole di RNA che permettono di modulare l’espressione genica nelle cellule target. L’argomento delle vescicole extracellulari è un argomento affascinante che, sicuramente, in futuro avrà una trattazione più approfondita.
Quindi torniamo al discorso piante, tutte le caratteristiche elencate fin’ora valgono anche per le vescicole da cellule vegetali, ovvero le PENs.
Le PENs hanno una dimensione che va dai 50 ai 200 nm e presentano caratteristiche morfologiche e biologiche affini con quelle derivate da mammiferi. Le vescicole vegetali vengono quotidianamente assunte attraverso l’alimentazione e il loro ruolo è quello di aumentare la stabilità e la “biodistribution del cargo” che trasportano, inclusi i miRNA. Ad esempio caratterizzando tali vescicole, solo nella pianta dello Zenzero, sono stati trovati 125 differenti miRNA.
Venendo normalmente assunte con l’alimentazione, le PENs sono quindi assorbite dai mammiferi attraverso le cellule della mucosa dello stomaco o dai macrofagi del tratto intestinale. Una volta assorbite rilasciano questi miRNA, che entrano nel sistema circolatorio e possono raggiungere vari tessuti per modularne l’espressione genica.
Possibili applicazioni
Come già visto con HIGS e SIGNS i miRNA possono essere degli strumenti validi per proteggere le piante dalle infezioni. Possono essere create delle piante in cui è accentuata la produzione di particolari miRNA benefici per la salute umana, come per la regolazione dell’infiammazione e della risposta immunitaria. Mentre per quanto riguarda le vescicole, possono essere ingegnerizzate per la somministrazione orale di miRNA terapeutici o per il delivery di altri farmaci.
Bisogna però prendere in considerazione anche le criticità: la più marcata è la mancanza di protocolli standardizzati per l’isolamento e la caratterizzazione delle PENs. Altre problematiche consistono ad esempio nella possibile presenza di contaminanti durante l’estrazione delle vescicole, nella difficoltà a caricare quantità trapeuticamente rilevanti di miRNA e nel garantire che il drug delivery sia mirato specificamente ai tessuti bersaglio.
Per i miRNA in se, gli ostacoli maggiori sorgono dal fatto che essi regolino molti geni contemporaneamente, e che quindi portino a effetti indesiderati a cascata od off-target.
In conclusione si ha ancora molta strada da fare, il potenziale c’è per usare i miRNA oltre all’utilizzo che si osserva in natura ma ci sono ancora molti limiti da valutare.
Conclusioni
Per molto tempo abbiamo descritto le piante come organismi silenziosi, quasi passivi, ancorati al suolo e tagliati fuori dalla dimensione del dialogo biologico. Oggi sappiamo che questo silenzio era solo apparente. Le piante comunicano senza sosta, e lo fanno anche attraverso uno dei linguaggi molecolari più raffinati che l’evoluzione abbia selezionato: i microRNA.
Che questo linguaggio possa essere compreso anche da funghi, insetti o mammiferi non dovrebbe sorprenderci. La vita è continuum interconnesso che non inventa sempre da zero: ricicla, riadatta, sfrutta ciò che funziona in contesti nuovi. I miRNA vegetali non nascono per comunicare tra regni, ma possiedono tutte le proprietà necessarie perché ciò accada. La comunicazione cross-kingdom non è quindi un’eccezione, ma una conseguenza naturale di una biologia costruita su regole condivise, linguaggi comuni e su pathway profondamente conservati.
Il vero interrogativo, a questo punto, non è se possiamo utilizzare questi RNA come strumenti biotecnologici o potenziali farmaci. È fino a che punto possiamo farlo senza creare danno. Intervenire su questi sistemi significa entrare in reti ecologiche e molecolari che la natura ha raffinato per centinaia di milioni di anni. Capirli non implica necessariamente dominarli; forse, prima ancora di sfruttarli, dovremo imparare a riconoscere i limiti entro cui è prudente ascoltare — e rispondere — a una comunicazione che non è mai stata pensata per noi.
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