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Gli scienziati lanciano uno sforzo globale per modellare le cellule beta pancreatiche e risolvere ogni tipo di diabete

I ricercatori USC hanno lanciato un massiccio sforzo scientifico per costruire un modello 3D dettagliato della cellula beta pancreatica e dei suoi componenti, un progetto globale che mira a ridurre un giorno l’aumento del diabete in tutto il mondo.

I casi di diabete sono più che triplicati a livello mondiale dal 1980, da circa 100 milioni a oltre 400 milioni di persone, secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità. Più di 30 milioni di americani hanno la malattia, le stime di Centers for Disease Control and Prevention.

In un commento sulla rivista Cell, i co-autori che rappresentano il nuovo Consorzio di cellule beta pancreatiche presso la USC hanno annunciato quello che hanno descritto come un “richiamo alle armi” che invita gli scienziati di tutto il mondo a unirsi alla causa e aiutare a modellare la cellula su scala atomica e intera della cellula in  scala. Il consorzio ambiziosamente mira a completare il progetto in cinque anni.

Raymond Stevens, un chimico USC e biologo strutturale che è l’autore principale della carta e un fondatore del consorzio, ha detto che crede che il completamento del modello a cellule intere sia fondamentale per lo sviluppo delle prossime terapie per il diabete.

“Stiamo convergendo per risolvere un problema difficile con una struttura a più scale, dai singoli atomi, alle piccole molecole, alla macromolecola, alla cellula”, ha detto Stevens.

Lo sforzo richiede una serie di esperti in biologia, chimica, biologia computazionale (modellazione), ingegneria, matematica e imaging. Il gruppo comprende anche artisti e registi. Stevens ha detto che crede che i non-scienziati possano fornire una prospettiva unica e utile sull’interpretazione della loro ricerca.

Il punto di partenza per questo sforzo scientifico convergente, il Bridge Institute dell’USC Michelson Center, è appropriato. Il centro comprende ingegneri e scienziati di tre scuole dell’USC – il Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, la USC Viterbi School of Engineering e la Keck School of Medicine di USC. Stanno lavorando insieme per sviluppare nuovi trattamenti, diagnostica e dispositivi per risolvere le più grandi sfide del 21° secolo, come il cancro e il morbo di Alzheimer.

I collaboratori del consorzio provengono da istituzioni di alto livello tra cui Caltech, l’Università della California, San Francisco, The Scripps Research Institute e l’iHuman Institute presso l’Università di ShanghaiTech. Stanno lavorando insieme per sviluppare nuovi trattamenti, strumenti diagnostici e dispositivi per risolvere il diabete, una delle più grandi sfide dell’era moderna.

Anche il Bridge Institute dell’USC Michelson Center ha ampliato i suoi progetti per trarre ispirazione dalle prospettive e dalle capacità di artisti e registi della USC School of Cinematic Arts.

Chiunque può partecipare

Lo sforzo è stato descritto come “scienza di massa”. Come il Progetto Genoma Umano, il progetto delle cellule beta è open source, il che significa che il consorzio sta creando una banca dati aperta a cui chiunque può depositare ricerche e dati sulla cellula beta pancreatica. Più insiemi di dati saranno integrati per formare il modello multiscala della cellula e di tutti i suoi componenti, dagli atomi più piccoli – al più grande – il nucleo. Per il controllo della qualità, gli scienziati del consorzio cureranno e controlleranno tutti i contributi.

“Questo è l’ultimo problema di modellazione”, ha detto il co-autore Andrej Sali, scienziato e bioingegnere all’Università della California, a San Francisco che, come modellista, integra i dati.

“La cella è un sistema molto grande, non è come il gas e non è come un cristallo, ma massimizza la complessità da qualche parte tra questi due estremi”, ha detto Sali. “È anche gerarchica: atomi, molecole, complessi, organelli e cellule e dovrà essere risolto con un approccio integrativo basato su molteplici fonti di informazione”.

Perché non modellare un’altra cella?

La beta-cellula pancreatica era uno dei principali candidati per quello che potrebbe essere il primo modello completo di cellule intere al mondo per diversi motivi. Innanzitutto, è stata studiato approfonditamente, il che significa che esistono già diversi set di dati, immagini e altre risorse. In secondo luogo, la cellula beta è una macchina semplice: l’input (glucosio) equivale all’uscita (insulina).

“Questo tipo di cellule ha enormi implicazioni mediche”, ha detto Frank Alber, un co-autore della carta e professore universitario USC di biologia molecolare e computazionale. “Volete utilizzare un modello predittivo, a cellule intere nella progettazione del farmaco, e volete vedere quali effetti avrebbe quel farmaco, non solo su un percorso proteico all’interno della cellula, ma sull’intera cellula.”

La co-autrice Kate White è la direttrice del consorzio, che finora conta circa 50 scienziati, molti provenienti dalla USC e altri da tutta la California, Stati Uniti e Cina. Nelle riunioni iniziali, il consorzio ha discusso delle misteriose “scatole nere”: le informazioni sconosciute sulla cellula.

“Una di quelle scatole nere è: quali sono tutti i componenti della cella? Lo sappiamo in una certa misura, ma non li conosciamo tutti”, ha detto White. “Abbiamo anche bisogno di capire a quali componenti della cellula si sta parlando, per quanto tempo durano queste conversazioni e quanta variabilità c’è da una cella all’altra”.

La cellula come una città

La sfida di comprendere la cellula beta pancreatica potrebbe essere paragonata alla conoscenza di una città sconosciuta. In collaborazione con il laboratorio World Building Media della USC School of Cinematic Arts e lavorando con i professori Alex McDowell e Todd Richmond, il consorzio sta cercando di utilizzare strumenti di costruzione del mondo, simili a quelli usati per realizzare il film “Minority Report, “e ritraggono la cellula come un mondo.

“Stiamo iniziando a capire chi sono i cittadini, come appare l’infrastruttura e come opera la gerarchia governativa”, ha detto il co-autore Kyle McClary, un candidato PhD al Dornsife College. “Stiamo cercando di distillare le proprietà fondamentali della cellula in rappresentazioni astratte che sono più accessibili.”

La co-autrice Jitin Singla, candidata al dottorato in biologia computazionale e bioinformatica presso il Dornsife College, ritiene che il progetto possa gettare nuova luce sulla comprensione della vita stessa.

“Gli sforzi per comprendere la cellula nella sua interezza sono importanti per me onde capire come percepiamo la vita alla sua scala microscopica”, ha detto Singla. “Più andiamo avanti in questo progetto, più mi eccita mentre spiega le nuove dimensioni, le conoscenze e le complessità della cellula e come tutto questo si riunisce per creare una cellula ‘vivente’.”

Stevens ha detto che un modello completo della cellula beta avrebbe implicazioni ben oltre la cellula beta del pancreas.

“Ci auguriamo che il nostro progetto getti le basi affinché le persone siano in grado di modellare neuroni, cellule staminali e altri tipi di cellule”, ha affermato.

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