I mitocondri sono le centrali energetiche della cellula, come ci insegna da tempo ogni libro di scienze fin dalle scuole medie. In tutti gli organismi eucarioti, complesse reazioni metaboliche avvengono negli spazi delimitati dalle membrane interne dei mitocondri, che formano l’inconfondibile struttura a creste, riconoscibile nelle immagini prodotte dal microscopio elettronico. Lì i nutrienti ottenuti con il cibo sono demoliti e trasformati con grande efficienza in molecole di adenosina trifosfato (ATP), la moneta di scambio dell’energia cellulare. Ogni attività che avviene nell’organismo, dalla creazione di memorie nei neuroni alla detossificazione di sostanze chimiche nel fegato, richiede che si spenda dell’ATP.

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Da una decina d’anni circa sappiamo che i mitocondri fanno però anche cose diverse, altrettanto essenziali per la vita cellulare. Per esempio producono precursori, come la prolina, l’ornitina e altre molecole. Si tratta di materiali da costruzione, essenziali ai processi di divisione e riparazione cellulare, che ogni cellula può assemblare in molecole molto più grandi, come il DNA, le proteine, i fosfolipidi delle membrane cellulari. Per costruire questi precursori, i mitocondri partono dagli stessi nutrienti da cui ricavano l’ATP. In questo caso, però, anziché bruciarli li avviano verso reazioni di biosintesi che sono riduttive anziché ossidative.

Come fanno i mitocondri a fare entrambe le cose? Quando c’è abbondanza di nutrienti è facile mantenere un equilibrio: i mitocondri possono demolirne una parte per produrre ATP e utilizzare l’altra parte per sintetizzare i mattoncini da costruzione necessari alla crescita e alla divisione cellulare. Cosa succede però in condizioni di stress, quando i nutrienti sono scarsi e la domanda sia di energia, sia dei materiali da costruzione è alta?

Pensate a una banale ferita da taglio. Il sangue fuoriesce insieme a nutrienti essenziali. Per iniziare il processo di riparazione che porta alla guarigione, l’organismo ha urgente bisogno sia di energia, sotto forma di ATP, sia di materiali da costruzione. Ma le due operazioni, demolire nutrienti a fini energetici e usarli per ricostruire, sono in gara per l’uso delle stesse limitate risorse. Nessuno fino a poco fa sapeva come i mitocondri si giostrassero in questa situazione complicata. Alcuni scienziati del Memorial Sloan Kettering Cancer Center di New York, guidati da Craig B. Thompson, sono riusciti a scoprirlo.

I ricercatori hanno affamato per un po’ alcune cellule in coltura, osservando poi qualcosa di veramente sorprendente. In condizioni di inedia i mitocondri si separano fisicamente in due sottopopolazioni distinte, ciascuna delle quali è specializzata in una delle due funzioni. In quella che fa l’ATP, i mitocondri mantengono la tipica forma che conosciamo dai libri di scuola. All’interno della struttura crestata e ordinata, continuano a gestire in maniera efficiente le complesse reazioni ossidative che permettono di ottenere l’ATP. I mitocondri dell’altra sottopopolazione, invece, pur conservando la doppia membrana esterna, sono pieni di filamenti di proteine e privi di creste.

Qual è la chiave molecolare di questa trasformazione? È la pirrolina-5-carbossilato-sintasi (P5CS), un enzima dal nome ostico che sembra essere essenziale a bilanciare le due vie metaboliche. In condizioni di stress gli enzimi P5CS si assemblano tra loro, formando lunghi filamenti proteici, soltanto però nella seconda sottopopolazione di mitocondri, quella senza creste. Tracce di P5CS non si trovano invece nei mitocondri classici, dediti a fare ATP grazie all’enzima ATP sintasi. Thompson e colleghi hanno pubblicato la loro scoperta il 6 novembre 2024 sulla rivista Nature.

In pratica, segregando proteine e funzioni, si sono creati due tipi di mitocondri. I primi sono specializzati nella produzione energetica, mentre i secondi fabbricano i materiali da costruzione. In condizioni di stress, la separazione anche fisica del lavoro sembra permettere ai mitocondri di svolgere al meglio i propri compiti, producendo quantità sufficienti sia di ATP, sia di materiali per la sopravvivenza.

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I mitocondri sono organelli fortemente dinamici. Vanno continuamente incontro a fusioni e fissioni, nelle quali due mitocondri possono unirsi tra loro o, viceversa, un mitocondrio può dividersi in due. Le incessanti fusioni e fissioni sono probabilmente necessarie a rimettere in sesto questi organelli, riciclando componenti danneggiate dalle impegnative reazioni di sintesi dell’ATP. Oggi possiamo anche ipotizzare che tali trasformazioni servano anche a segregare, in particolari condizioni, le diverse funzioni ed enzimi in concorrenza tra loro per le risorse.

I due tipi di mitocondri sembrano coinvolti anche nella crescita di alcuni tipi di cancro. In campioni di tessuto ottenuti da pazienti con tumore del pancreas, uno dei tipi di cancro più difficili da curare, Thompson e colleghi hanno osservato la presenza delle due sottopopolazioni di mitocondri. Nelle cellule sane circostanti c’era invece un solo tipo di questi organelli.

Le cellule tumorali sono in grado di sopravvivere in condizioni di stress impossibili per le cellule sane. Tra i tanti processi cellulari che i tumori sono in grado di asservire, probabilmente c’è anche la capacità dei mitocondri stressati di trasformarsi e specializzarsi. Mitocondri separati e differenziati possono produrre da un lato l’energia e dall’altro i materiali da costruzione necessari a sostenere l’intensa proliferazione delle cellule cancerose. Per ora questi sono però risultati preliminari, su cui i ricercatori dovranno fare ulteriori approfondimenti.

I mitocondri sono tra gli organelli più antichi e affascinanti delle cellule eucariote. Secondo la teoria endosimbionte sono il residuo evolutivo di batteri che avevano infettato cellule di qualche nostro lontano progenitore. Trovandosi bene là dentro, e offrendo soluzioni utili alla vita delle cellule ospiti, sono rimasti lì fino ai nostri giorni. Hanno così perso nel tempo parte della loro autonomia e del loro DNA, che hanno ceduto per l’80% circa al nucleo.

C’è chi dice che i mitocondri siano il crocevia del metabolismo catabolico e anabolico, essenziale alla vita cellulare. La loro struttura dinamica e le loro funzioni sono in effetti sintonizzati sui bisogni specifici di energia, riparazione e crescita delle cellule, in risposta a stress sia interni, sia esterni. Date le loro funzioni cruciali, non stupisce che siano anche implicati in numerose malattie e nei processi di invecchiamento.

Oggi abbiamo imparato qualcosa di più su questi organelli che continuano a riservare sorprese. Sappiamo che i mitocondri si possono a volte separare, in modo da svolgere funzioni differenti a seconda dei bisogni delle cellule. La scoperta sembra di quelle da aggiungere ai libri di scuola.

Due mitocondri classici, osservati al microscopio elettronico (Louisa Howard, Dartmouth University, Wikipedia)

In queste immagini dello stesso campo visivo, in verde sono evidenziati i mitocondri in cui si trova l’enzima P5CS, mentre quelli colorati in viola contengono enzimi associati alla produzione di ATP (laboratorio di Craig B. Thompson).