Dal Workshop IFOM 2007: utilizzo didattico di un organismo modello

Prof.ssa Marina Minoli

Nell’ambito del Workshop Nazionale IFOM* (Fondazione Istituto Firc di Oncologia Molecolare ) “Biomedicina: ricerca, tecnologia e principi etici” che si è svolto a Milano il 10 – 11 Maggio 2007 è stato presentato un innovativo progetto didattico per studenti di scuole secondarie superiori.

“Un laboratorio per l’ambiente” è il titolo del progetto che vede gli studenti protagonisti nell’ utilizzare l’organismo modello Caenorharbtidis elegans per valutare l’alterazione dei cicli di un vivente in presenza di specifici inquinanti ambientali ottenendo informazioni complementari a quelle di analisi chimico-fisiche.


Che cosa sono gli “Organismi modello”

Un organismo modello è un essere vivente semplice ed accessibile per studi di biologia molecolare che possono avere, come nel caso descritto, anche applicazioni nel settore ambientale.
Tutti gli organismi modello devono avere delle caratteristiche precise: dimensioni ridotte, tempi brevi di riproduzione, facile sequenziamento del genoma, possibilità di manipolazione del genoma.

Un organismo modello viene utilizzato per studiare fenomeni biologici complessi ottenendo rapidamente informazioni scientifiche che possono essere trasferite ad altri organismi più difficili da studiare. E’ possibile perché i processi biologici fondamentali come il metabolismo, la regolazione, il ciclo cellulare e lo sviluppo embrionale ed i geni che li controllano sono complessivamente conservati nel corso dell’evoluzione.


Quali sono gli “Organismi modello”

Il primo organismo procariota utilizzato in biologia è stato probabilmente il batterio Escherichia coli; tra gli organismi eucarioti, invece, il comune lievito Saccharomyces cerevisiae che è il microrganismo modello più studiato (il ciclo cellulare del lievito è molto simile nel processo e nella regolazione a quello umano).

Tra gli insetti è utilizzato il moscerino della frutta Droshopyla melanogaster e tra i vertebrati il pesce Zebrafish, originario dell’Est dell’India vive comunemente in ruscelli e stagni, utilizzato anche nell’allestire gli acquari domestici.
Il nematode Caenorhabditis elegans è un verme cilindrico lungo circa 1 mm che vive nel suolo in climi temperati e si nutre di batteri.


Caratteristiche di C. elegans: perché sistema modello

C. elegans è stato isolato in Francia nel 1949 ed in Inghilterra nel 1959.

Ha un ciclo vitale che dipende dalle condizioni ambientali; se la temperatura è di 22 °C la durata è di 3 gg, se la temperatura è di 25 °C la durata è di 2 gg. E’ caratterizzato da quattro cicli larvali con una sopravvivenza da adulto per circa 20 gg.

Il ciclo vitale ha una forma larvale definita Dauer nella quale il metabolismo è rallentato e si verifica una riduzione della motilità.

Alcune caratteristiche congiunte di semplicità e complessità rendono C. elegans un sistema biologico modello con possibile impiego anche a livello didattico nella scuola secondaria superiore.
C. elegans è facile da mantenere in laboratorio, un ciclo vitale breve, corpo trasparente, anatomia semplice e si presta ad una efficace analisi genetica.

E’ però un organismo sufficientemente complesso in quanto ha un sistema nervoso, digerente e riproduttivo ed è in grado di dare risposte comportamentali a stimoli esterni (sostanze chimiche, temperatura,contatti..)

La facilità di mantenimento in laboratorio apre alla possibilità di utilizzo nelle attività progettuali delle scuole in collaborazione con l’Ente di ricerca scientifica che fornisce i nematodi in piastra. Si nutre infatti di batteri , in particolare un ceppo di E. coli, ha un ciclo breve generando rapidamente una numerosa progenie.

Il genoma di C. elegans è stato completamente sequenziato nel 1988 con la scoperta dei suoi 19.000 geni circa, il 40% dei quali è conservato anche nell’uomo. Si è scoperto che alla mutazione di un gene è possibile associare un fenotipo (anomalia nell’aspetto esteriore); dall’analisi del difetto passare alla funzione del gene mutato.

C.elegans può essere usato come sistema modello per studiare la funzione dei geni: dal gene dell’uomo all’identificazione dell’omologo in C. elegans del quale si studia la funzione per avere informazioni trasferibili all’uomo.


Vantaggi e limiti nell’utilizzo di C. elegans come biosensore ambientale

Progenie numerosa ottenuta in tempi brevi, metodi di coltivazione semplici (anche in laboratori poco attrezzati), parametri come mortalità, riproduzione e risposte comportamentali facili da descrivere. Questi fattori hanno reso C. elegans oggetto di studi per creare vermi transgenici in grado di rispondere alla presenza di metalli pesanti la cui azione fosse visibile e quantificabile tramite l’attività enzimatica della Beta-galattosidasi fornendo una risposta in un tempo di 5 ore dall’esposizione alle acque contaminate.

A questi aspetti positivi si associano alcuni limiti : la non semplice determinazione dell’attività beta-galattosidasica, fase che potrebbe essere migliorata sostituendola con l’uso di una tecnica come la fluorescenza che individui facilmente la sostanza in esame, il limite di rilevabilità della concentrazione dei metalli tra 10-100 μm, la cuticola di C. elegans che è impermeabile e che limita dei metalli, l’ottenimento di risultati differenti a seconda degli stadi larvali utilizzati.

Si rende quindi necessario sviluppare biosensori capaci di reagire selettivamente ad un certo tipo di inquinanti partendo da mutanti più sensibili allo stress chimico.


Applicazione didattica delle attività sperimentali

Non è sempre facile trasferire la pratica sperimentale di un laboratorio scientifico di un Centro di Ricerca all’avanguardia in un laboratorio scolastico con tutti i limiti che ciò comporta.

Il problema posto nella realizzazione del Progetto “Un laboratorio per l’ambiente” è la valutazione dell’inquinamento da metalli pesanti di un fiume con metodi innovativi ed alternativi alle analisi chimiche utilizzando un organismo modello biosensore come C. elegans.

Che cosa sono i metalli pesanti

La denominazione “metalli pesanti” si riferisce ad elementi come piombo, cadmio, cromo, nichel che provocano intossicazioni che possono degenerare in malattie gravi. I metalli pesanti sono assorbiti più facilmente dagli organismi in crescita con rischi maggiori per la fase dello sviluppo embrionale e per l’infanzia. Vernici, fumo di sigaretta, scarichi delle automobili, polveri di vario tipo sono cariche di metalli pesanti, che sono spesso presenti anche in acque di fiumi e mari.

Utilizzo didattico di C. elegans

C. elegans viene coltivato facilmente in capsule Petri in terreni addizionati di agar e colesterolo sui quali vengono fatti crescere batteri Escherichia. coli ceppo OP5O di cui i nematodi si nutrono. Per il trasferimento di nematodi ad altra piastra si taglia un piccolo quadratino di agar dalla piastra di partenza spostandolo in nuova piastra, garantendo la sopravvivenza del ceppo. Per gli studenti è anche interessante trasferire “un singolo individuo” da fare crescere da solo in piastra semplicemente con una sopraciglia attaccata ad un supporto come il puntale di una micropipetta.

La fase di esposizione alle acque contaminate è successiva solo alle osservazioni al microscopio delle forme delle varie fasi del nematode ed in particolare della larva dauer che prevale in coltura esposta ed elevata concentrazione di metalli.
 
Gli studenti si abituano a osservare al microscopio ottico differenze morfologiche e di motilità di C. elegans per valutare sucessivamente gli effetti sul ciclo vitale indotti da sostanze inquinanti presenti nelle acque di fiume o di mare potenzialmente inquinate da metalli. Queste attività possono essere associate ad analisi spettrofotometriche della concentrazione dei metalli pesanti e osservazioni con microscopio a fluorescenza, come effettuato nel progetto descritto nel Workshop.

La sola fase di studio in piastra è già un approccio scientifico che ritengo efficace in classi del biennio di scuola secondaria superiore che non dispongono di sofisticate attrezzature di analisi o che non hanno la possibilità di collaborare con altre scuole o enti che integrino le carenze di strumentazione e permettano la creazione di un progetto di rete.


*IFOM (Fondazione Firc di Oncologia Molecolare) è un centro di ricerca scientifica inaugurato a Milano nel 2003 nell’ambito dell’ IEO (Istituto Europeo di Oncologia). Sin dalla nascita ha attivato collaborazioni scientifiche con Centri di ricerca scientifica nazionali come l’Università degli Studi di Genova. IFOM ha affiancato alla specifica attività di ricerca scientifica programmi di ricerca didattica che coinvolgono docenti e studenti di scuola secondaria, in parte relazionata nell’ambito del Festival della Scienza di Genova.
Le collaborazioni IFOM-Scuola permettono da alcuni anni la realizzazione congiunta azioni formative promuovendo innovazione didattica nel settore scientifico. Docenti di scuola secondaria esperti di specifici campi disciplinari e comunicazione della scienza insieme a ricercatori IFOM hanno infatti realizzato specifiche attività di aggiornamento riguardanti gli aspetti sperimentali e di divulgazione della biologia moderna alle quali la scrivente ha collaborato come titolare di progetto IFOM-USRL.