La generazione di una nuova vita, il concepimento, è sempre stato un evento avvolto nel mistero: uno dei pochi in cui scienza e credenza si fondono. Con il progresso tecnologico siamo riusciti ad identificare le cellule responsabili del concepimento, i gameti e con particolari microscopi riusciamo oggi persino a vedere il momento esatto della fecondazione.
Come sia possibile che da due cellule nasca un individuo completo capace di pensare, parlare e camminare, rimane uno degli aspetti più affascinanti della vita. Due cellule, insieme a miliardi di combinazioni chimiche, riescono a formare cervello, cuore, polmone e tutti gli altri organi ed apparati senza nessuna influenza dall'esterno.
Tutti questi processi, vengono studiati intensamente per cercare di prevenire patologie, salvaguardare la salute della madre e del feto. Oggi parleremo di una curiosa reazione chimica scoperta recentemente, che definirei "il lampo della vita", e dei risvolti che avrà sulla nostre vite.
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Il termine gamete indica una cellula sessuale matura. Ci sono numerose differenze tra il gamete maschile o spermatozoo e quello femminile o ovocita : il primo infatti ha il compito unico di trasmettere il materiale genetico paterno alla cellula uovo, in singola copia, mentre il secondo ha il compito di generare, supportare e proteggere e l'embrione durante tutto il suo sviluppo.
Lo spermatozoo matura fino agli ultimi stadi nei tubuli seminiferi del testicolo, a partire da una cellula che si chiama spermatogonio. Il processo di maturazione porterà lo spermatogonio a perdere il corredo genetico diploide (46 cromosomi) ed a diventare una cellula aploide (23 cromosomi) chiamata spermatide, attraverso il processo di divisione cellulare chiamato meiosi. Lo spermatide è ancora privo del caratteristico flagello (la "coda") che rende possibile il movimento di questo tipo di cellule. Una volta acquisito il flagello e l'acrosoma (complesso vescicolare della "testa" dotato di potenti enzimi litici), la maturazione morfologica è completa: tuttavia lo spermatozoo per poter fecondare l'ovocita dovrà subire gli ultimi due processi maturativi, questa volta di tipo funzionale: la mobilitazione, che consiste nell'acquisizione della capacità di movimento del flagello e la capacitazione, con cui lo spermatozoo sarà capace di dare inizio alla reazione acrosomiale. Questi due ultimi processi avvengono in aree distinte: la mobilitazione avviene all'interno dell'epididimo, dove gli spermatozooi maturi vengono "immagazzinati e restano pronti all'uso"; la capacitazione avviene invece più tardivamente a livello delle tube della donna, quando lo spermatozoo è in procinto di fecondare l'ovocita maturo.
Similmente a quanto avviene nel testicolo, nell'ovaio della donna avviene la maturazione della cellula sessuale primordiale femminile, l'oocita o ovocita. A partire dal quinto mese di vita (epoca fetale), le ovaie producono milioni di oociti primari (circa 7 milioni) che nel tempo andranno a diminuire fino a raggiungere la quota di circa 40.000 all'inizio della pubertà. Ad ogni ciclo mestruale, l'ovocita primario (con corredo genetico diploide) va incontro ad una prima meiosi e prende il nome di ovocita secondario (corredo genetico aploide). Quando l'ovocita secondario verrà fecondato, completerà anche la seconda divisione meiotica, diventando un ootide ed infine un ovulo. Ad ogni divisione cellulare, si ha la formazione di una cellula uovo e di un globulo polare, ovvero una cellula non funzionante.
Il momento in cui una nuova vita viene generata, potrebbe essere definito "il tempo zero": quando cioè il corredo cromosomico materno e paterno si fondono subito dopo la fecondazione dell'ovocita, dando vita ad un patrimonio genetico totalmente nuovo (ed unico). Come già accennato in precedenza, affinché avvenga il concepimento, lo spermatozoo deve riuscire a raggiungere l'ovocita e ad innescare una reazione chiamata reazione acrosomiale nella quale la testa dello spermatozoo, acrosoma, si fonde con la zona pellucida dell'ovocita rilasciando una serie di enzimi in grado di distruggerla e far penetrare il materiale genetico all'interno.
Nello stesso istante in cui avviene la reazione acrosomiale, si avvia il blocco della polispermia: i granuli corticali, contenenti diversi enzimi specifici, si fondono con la membrana dell'ovulo determinando un alterazione biochimica e strutturale della stessa. Questa alterazione impedisce ad altri spermatozooi di fecondare la cellula uovo impendendo, non sempre con successo, lo sviluppo di gemelli bizigoti (evento estremamente raro) .
È già da qualche anno che gli scienziati hanno scoperto l'esistenza di uno strano bagliore sprigionarsi al momento esatto della fecondazione dell'ovocita; tuttavia poco si sapeva su come e perché ciò avvenisse. Studi successivi hanno spiegato che il meccanismo è determinato da flussi ionici di zinco, scatenati da un aumento di calcio intracellulare che è determinato proprio dall'attivazione dell'ovocita: un processo nel quale avviene il blocco della polispermia, si completa l'ultima divisione meiotica della cellula fecondata e si reclutano proteine e mRNA per lo sviluppo dell'embrione. Fisiologicamente, ciò che "attiva" l'ovocita è la reazione acrosomiale descritta in precedenza: gli enzimi contenuti nell'acrosoma aprono un varco nella zona pellucida e consentono il passaggio di materiale genetico dallo spermatozoo all'ovocita. L'ovocita fecondato, che prende il nome di ovulo, reagisce con il rilascio dei granuli corticali ed innescando un flusso di ioni calcio con conseguente alterazione della polarizzazione della membrana cellulare.
Il fenomeno è stato osservato per la prima volta nel 2011 in cellule uovo di topo, ma è stato registrato per la prima volta in alta risoluzione nel 2014 e solo recentemente i meccanismi dietro questo evento sono stati caratterizzati (vedi bibliografia). In questi studi, gli scienziati hanno riprodotto in vitro l'affascinante fenomeno utilizzando alcuni enzimi che simulano la reazione acrosomiale e hanno captato il suggestivo bagliore usando particolari microscopi a fluorescenza di ultima generazione. Ciò ha consentito di capire che il bagliore emesso dalle cellule uovo è dovuto all'improvviso rilascio, calcio indotto, di migliaia di vescicole contenenti miliardi di atomi di zinco, tale da determinare una differenza di potenziale e di conseguenza il surreale bagliore. Inoltre, è stato dimostrato che il numero di vescicole rilasciate (e quindi l'intensità del bagliore), varia in base al grado di maturazione della cellula uovo. Un oogonio (cellula immatura) ad esempio avrà un bagliore nettamente ridotto rispetto un ovocita secondario maturo.
Nel 2016, il dr. Zhang N. ha pubblicato su Scientific Report un lavoro in cui ha messo insieme i tasselli dei colleghi precedenti e suggerito un possibile ruolo per le "zinc sparks" (lampi di zinco) in campo applicativo. L'esperimento in questione è stato condotto su cellule uovo di topo, nelle quali è stata monitorata l'intensità dello zinc spark alla fecondazione effettuata tramite partenogenesi oppure tramite IVF e la successiva progressione dello sviluppo embrionale. Il risultato del lavoro ha dimostrato che le uova fecondate e che raggiungevano lo stadio di blastocisti (primo stadio embrionale) rilasciavano più zinco rispetto alle cellule uovo che non riuscivano a progredire nello sviluppo. Inoltre, fecondando selettivamente delle cellule uovo in base al loro profilo di "rilascio di zinco", è stato possibile aumentare del doppio la percentuale di successo delle fecondazioni.
In conclusione, la quantità di zinco delle cellule uovo può essere efficacemente utilizzata come biomarker per selezionare gli ovuli con il profilo migliore: se tale scoperta sarà verificata anche per le cellule umane, potremo avere un grosso incremento (si stima il 50%) nella percentuale di successo delle tecniche di IVF (in vitro fertilization), permettendo alle donne non fertili o poco fertili di realizzare, finalmente, il loro sogno di diventare mamme.
💡Sapevi che...?
La storia del microscopio a fluorescenza inizia nel 1911, quando il fisico Oskar Heimstädt costruì il primo prototipo riuscendo ad evidenziare alcuni batteri. Il principio di base di questi microscopi è quello di filtrare alcune lunghezze d'onda dello spettro Ultravioletto, in modo da mettere in evidenza solamente l'aspetto "fluorescente". Heimstädt non era molto fiducioso sull'utilità della sua realizzazione: l'uso di questo strumento era infatti limitato dalla necessità di creare un campo scuro senza interferenza con luci esterne per esaltare il contrasto e sopratutto dall'autofluorescenza del campione da esaminare. La rivoluzione si ebbe anni dopo, con l'invenzione dei fluorocromi e degli specchi dicromatici. I primi permisero di aumentare la fluorescenza del campione, mentre i secondi permisero di filtrare meglio la luce fluorescente dallo spettro UV. Nel 2014 Eric Betzig, William Moerner e Stefan Hell, misero a punto la miscroscopia a fluorescenza in super-risoluzione, dando un grosso impulso sia a questa metodica sia al progresso in campo scientifico. La scoperta, è valso loro il premio Nobel per la chimica nello stesso anno.
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