Uno studio dell'Università di Pisa riscrive una delle leggi fondamentali della biologia, e ci dice che le caratteristiche metaboliche di ogni individuo dipendono dalla comunità in cui è inserito.

29 Ottobre 2021
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Per la prima volta una delle leggi fondamentali della biologia, la legge di Kleiber, viene considerata in relazione alla variabilità degli individui di una specie.

Lo studio è stato pubblicato su PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America), a firma del gruppo di ricerca in bioingegneria dell’Università di Pisa coordinato da Arti Ahluwalia in collaborazione con Università di Padova e EPFL (Svizzera).

 

Uno studio pubblicato di recente su PNAS (https://www.pnas.org/content/118/38/e2025211118) consente un avanzamento deciso negli studi sul metabolismo degli esseri viventi, con ricadute importantissime in campi che vanno dalla medicina personalizzata fino alla gestione delle risorse di un dato ambiente per il sostegno alimentare dei suoi abitanti, un tema che da anni sta occupando istituzioni nazionali e internazionali per l’obiettivo “fame zero” dell’Agenda 2030.

 

Il team di ricerca della professoressa Arti Ahluwalia, docente di bioingegneria al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e direttrice del Centro di Ricerca “E.Piaggio” dell’Ateneo pisano, in collaborazione con i colleghi dell’Università di Padova e di EPFL ha dimostrato che la legge di Kleiber, una delle leggi fondamentali più note delle biologia, non è assoluta, ma varia a seconda di come è composta la popolazione di individui che prendiamo in considerazione.

 

“La legge di Kleiber – spiega la professoressa Ahluwalia – mette in relazione la massa di un individuo con il suo metabolismo. Fino ad ora è stata considerata una legge fissa: per ogni specie dal topo alla balena, il metabolismo è proporzionale alla massa elevata alla potenza di ¾. La legge mostra che via via che un organismo si accresce il suo metabolismo e la durata della sua vita si modificano a velocità prevedibile, per l’effetto combinato della variazione della superficie corporea e della velocità sanguigna. La formula della legge è importantissima, e serve per esempio per calcolare il fabbisogno metabolico di un individuo, oppure stimare il dosaggio corretto per gli esseri umani di un medicinale che è stato testato sui topi.

“Quello che abbiamo dimostrato è che, quando una specie viene rappresentata non come una media tramite un inesistente “individuo standard”, come è stato fatto fino ad ora, ma come una popolazione in cui ogni soggetto è diverso dall’altro, la legge non è più un assoluto, ma il suo esponente varia. Non è detto quindi che la quantità di un farmaco testato su un topo possa essere tradotta tramite la legge di Kleiber in una quantità idonea per tutti gli esseri umani, perché nella realtà un individuo “medio” sufficientemente rappresentativo della sua specie non esiste”.

Il team di ricerca coordinato dalla professoressa, composto da Chiara Magliaro (ricercatrice), Francesco Biagini ed Ermes Botte (studenti di dottorato) ha sviluppato un modello computazionale di una popolazione umana tramite organoidi e sferoidi, cioè colture tridimensionali in-vitro di cellule di organi con caratteristiche strutturali e biochimiche che li fanno funzionare come il corrispettivo organo umano. Come in ogni popolazione, gli individui presentavano una grande variabilità relativamente ai paramenti di massa e metabolismo. Il risultato di questo studio è che la relazione tra i due parametri (e cioè tra la grandezza dell’individuo e il consumo di risorse) non è più una singola formula uguale per tutti, ma una curva statistica. Ciascun individuo occupa un punto della curva, e cioè avrà un determinato rapporto tra massa e metabolismo, diverso da quello di un alto individuo, ma sempre messo in relazione dalla legge di Kleiber. Per “mappare” la quantità di farmaco sperimentata su organoide, per esempio, sul suo analogo umano è necessario sapere in quale punto della curva si trovano entrambi, altrimenti non è detto che l’organoide possa costituire un buon modello dell’azione del farmaco.

“Il valore predittivo dei modelli in-vitro aumenta se essi rispettano le medesime leggi di scala dei loro analoghi naturali – prosegue la professoressa Ahluwalia -  e in questo caso ci sono serviti per andare più a fondo nella conoscenza delle leggi che governano tutti gli esseri viventi, dimostrando che la comprensione dei meccanismi che governano il nostro corpo richiede il considerarci non come individui isolati, ma come parte di una comunità di individui, che interagisce con il proprio ambiente”

Le ricadute di questo studio sono molte, e vanno a toccare temi molto attuali al momento: oltre al campo della medicina personalizzata, in cui si tende a modellare non più individui standard, ma i singoli pazienti, con le loro caratteristiche specifiche, una seconda implicazione estremamente importante riguarda l’uso delle risorse ambientali per il sostentamento di una popolazione.

“una delle scoperte che abbiamo fatto, e su cui continueremo a lavorare – conclude la professoressa- è che se una popolazione di individui di una specie è sufficientemente varia, allora l’esponente della legge di Kleiber tende a diminuire, e cioè per il sostentamento di quella popolazione servono meno risorse. La variabilità quindi potrebbe essere davvero la chiave per un uso ottimale delle risorse di un ambiente.

“Una seconda linea di ricerca molto importante e che svilupperemo riguarda poi l’interazione di una comunità di individui con il proprio ambiente: in vista dei cambiamenti che ci aspettano nei prossimi anni è infatti necessario andare a investigare cosa succede in presenza di variabilità di alcuni parametri ambientali, come per esempio un rialzo delle temperature.