La scoperta dei ribosomi: breve storia

**Ribosoma** 70S di Escherichia coli. In rosso la subunità grande e in blu quella piccola. La scala è 200 Ångström (20 nm).

Il termine ribosoma venne coniato al Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, USA, nel corso del primo simposio della Società di Biofisica, tenutosi nel febbraio del 1958. La formazione di una nuova società offri l’occasione per trattare di innovazioni in corso nelle forme di incontri e pubblicazioni. L’argomento trattato fu “Le Particelle microsomiali e la Sintesi Proteica“, e nel simposio vennero presentati venti articoli a riguardo, pubblicati in un volume il cui editor fu il dott. Richard Brooke Roberts (7dicembre 1910 – 4 aprile 1980), un fisico del Dipartimento di Magnetismo Terrestre del Carnegie Institution of Washington, appassionato di genetica e biologia.

corpuscoli che accumulano acido ribonucleico

George Emil Palade (Iași, 19novembre 1912 – Del Mar, 8ottobre 2008)

La questione inerente il collegamento tra dei piccoli corpuscoli del citoplasma (microsomi), l’accumulo di una forma di ribonucleoproteina e la sintesi proteica sembrava particolarmente appropriato per dei biofisici, dal momento che richiedeva la conoscenza di argomenti appropriati come la microscopia elettronica, l’ultracentrifugazione e la diffrazione a raggi X. Nello scrivere l’introduzione al libro, il dott. Roberts affermò che molti articoli in esso presente trattavano di queste particelle microsomiali e che, nel simposio, vi era consenso sull’opinione che le particelle accuratamente purificate avessero poca attività enzimatica e che il loro contenuto di RNA fosse pari o superiore al 40%. Nella sua premessa, il dott Roberts riportò che nel corso del simposio era emersa una difficoltà semantica. Per alcuni partecipanti, per microsomi si intendevano le particelle ribonucleoproteiche della frazione microsomale contaminata da altro materiale proteico e lipidico; per altri, i microsomi erano costituiti da proteine e lipidi contaminati da particelle.

UNA DIFFICOLTà SEMANTICA

L’espressione “particelle microsomiali” non sembrava adeguata e “particelle ribonucleoproteiche della frazione microsomiale” appariva troppo stramba. Durante l’incontro fu suggerita la parola “ribosoma”; questo sembrò un nome molto soddisfacente che aveva anche un suono piacevole. La confusione riscontrata sarebbe stata eliminata se il termine “ribosoma” fosse stato adottato per designare le particelle ribonucleoproteiche di dimensioni comprese tra 20 e 100 S.

Il frazionamento del particolato derivante dalle cellule rotte entusiasmava da tempo i biochimici. Lilienfeld, nel 1894, aveva preparato frazioni nucleari e citoplasmatiche ed aveva studiato le proprietà di una deossinucleoproteina (DNP).

Progressi

Una micrografia elettronica del bordo di una goccia di particelle di RNP spruzzate su una membrana al collodio e ombreggiate con uranio. Ingrandimento di 34.000 volte.

La possibilità di estrazione differenziale delle strutture subcellulari era stata studiata da Bensley e Hoerr nel 1934. La tecnica di purificazione dei componenti subcellulari progredì rapidamente grazie agli sforzi di Claude (1948), Hogeboom e Schneider (1950) e Anderson (1955). Nel 1954 Palade e Porter dimostrarono il reticolo endoplasmatico nelle cellule animali.

A quel simposio era presente anche George Emil Palade. Figlio di un professore di filosofia, George era nato in Romania nel 1912. Palade studiò Medicina presso l’Università di Bucarest, dove si laureò nel 1940. Dopo aver trascorso la seconda guerra mondiale nel corpo medico dell’esercito rumeno, si trasferì a Istanbul poco prima di trasferirsi a New York nel 1946 per studi post-dottorato presso la New York University.

PALADE E CLAUDE

Albert Claude in una fotografia del 1974.

Dopo un breve periodo lì, in un evento che gli cambiò la vita, Palade fu invitato dal grande ricercatore belga Albert Claude (24agosto 1899 – 22maggio 1983) a unirsi al suo laboratorio presso il Rockefeller Institute for Medical Research, ora Rockefeller University. L’anno precedente, nel 1945, Claude e i suoi colleghi, il biologo canado-statunitense Keith Roberts Porter (11giugno 1912 – 2maggio 1997) ed il microscopista Ernest F. Fullam (1911 – 3febbraio 2002), avevano pubblicato la prima micrografia elettronica di una cellula animale cresciuta in coltura, descrivendo una “rete citoplasmatica simile a un pizzo”, in seguito chiamata reticolo endoplasmatico. Inoltre, Claude e i suoi collaboratori George Hall Hogeboom (1913-1956) e Walter Schneider avevano recentemente sviluppato procedure che prevedevano la centrifugazione differenziale per rompere i tessuti e separare i componenti cellulari in tre frazioni principali: nuclei, mitocondri e “microsomi“.

alla ricerca di microsomi

Micrografia elettronica di una piccola sezione di fibroblasto di pulcino in coltura tratta dall’articolo di Claude e colleghi del 1945. La porzione più sottile della cellula a destra della figura mostra uno sfondo granulare e dettagli di un reticolo più scuro simile a un pizzo che in alcuni punti sembra essere costituito da catene di “vescicole”.

Le loro osservazioni hanno fornito prove conclusive a sostegno dell’ipotesi che la maggior parte, se non tutti, della citocromo ossidasi, succinossidasi e citocromo c, tre importanti membri del sistema respiratorio responsabili della maggior parte dell’assorbimento di ossigeno, erano segregati nei mitocondri.

Così Palade si unì a un laboratorio già famoso che era sull’orlo di scoperte ancora più grandi. Claude, che aveva conseguito la laurea in Medicina presso l’Università di Liegi nel 1928 si era unito al Rockefeller Institute nell’estate del 1929.

Al Rockefeller Institute, Claude lavorava nel dipartimento di Patologia di James Murphy con George Hogeboom e Walter Schneider come collaboratori diretti; Keith Porter era nello stesso dipartimento ma aveva sviluppato una propria linea di ricerca sulla microscopia elettronica di cellule animali in coltura.

Palade al Rockefeller Institute

Micrografia elettronica di un campo limitato nella regione basale di una cellula acinosa del pancreas (ratto), tratta dall’articolo di Palade del 1954. Si evidenziano con la lettera g i ‘granuli di Palade’, richiamati nel 1958 con il neologismo ‘ribosomi’.

Ben presto Palade divenne un membro chiave del laboratorio, contribuendo vigorosamente all’ottimizzazione dei metodi sia per il frazionamento cellulare (come l’introduzione di soluzioni di saccarosio per una migliore conservazione degli organelli cellulari) sia per la microscopia elettronica (utilizzando il tetrossido di osmio per ottenere un contrasto migliore). Nell’arco di un paio di anni, il nucleo di studio del Rockefeller Institute si smembrò: Schneider tornò all’Università del Wisconsin, Hogeboom si trasferì al National Cancer Institute e Claude tornò in Belgio nel 1949 per assumere la direzione dell’Istituto Jules Bordet. Solo Porter e Palade rimasero al Rockefeller Institute; due anni dopo, quando Murphy andò in pensione, essi divennero “orfani” e furono adottati da Herbert Spencer Gasser (5luglio 1888 – 11 maggio 1963), Premio Nobel per la Medicina nel 1944, allora direttore dell’Istituto, poiché nessuno dei due aveva il grado richiesto per dirigere un laboratorio.

Porter e Palade

Sfruttando tutte le tecniche già disponibili, Porter ed Palade apportarono miglioramenti sufficienti nella microtomia e nella fissazione dei tessuti per ottenere preparazioni che, almeno per un po’, apparvero soddisfacenti e gratificanti.

Da solo, o in collaborazione con altri, Palade esplorò un territorio appena aperto e, in questo processo, definì la struttura fine dei mitocondri e descrisse la piccola componente particellare del citoplasma (in seguito chiamata ribosomi); con Porter studiò le differenziazioni locali del reticolo endoplasmatico e con il ricercatore statunitense Sanford Palay (23settembre 1918 – 5agosto 2002) egli elaborò la struttura fine delle sinapsi chimiche. Lo smantellamento del “gruppo Rockefeller”, iniziato nel 1949, terminò con la partenza di Porter per Harvard nel 1961.

I GRANULI DI PALADE

Tavola 13 del celebre articolo di Palade pubblicato nel 1955. Le lettere ci indicano le cisterne del reticolo endoplasmico mentre i granuli si dispongono intorno a forma di rosette (ro), spirali (s) e cerchi (cr).

La più grande scoperta di questo straordinario gruppo è certamente la prima definizione dei ‘granuli di Palade’, individuati nel suo articolo “A small particulate component of the cytoplasm“, pubblicato nel 1955. I granuli di Palade verranno ridefiniti con un neologismo, ‘ribosomi‘, nel 1958, come visto sopra.

In esso egli afferma che i granuli evidenziati non sembrano essere artefatti di precipitazione introdotti dalla fissazione tetrossido di osmio dei campioni, perché, sono presenti come particelle piccole e dense con la caratteristica distribuzione nelle cellule acinose del pancreas e nelle cellule striate fibre muscolari dopo fissazione con formaldeide tamponata. Egli pone attenzione alla relazioni tra questi piccoli granuli (di 100-150 angstrom) ed il reticolo endoplasmatico.

Un’altra questione che egli evidenziò fu il particolare significato del rapporto di queste particelle con la basofilia citoplasmatica, proprietà attribuì essere dovuta in larga misura all’acido ribonucleico (RNA) presente nel citoplasma.

Il biologo cellulare statunitense Philip Siekevitz (25febbraio 1918 – 5novembre 2009) si unì al laboratorio di Palade nel 1955 e insieme dimostrarono che i microsomi di Claude erano frammenti del reticolo endoplasmatico (come postulato dallo stesso Claude nel 1948) e che i ribosomi erano particelle di ribonucleoproteine.

Mary Petermann

Per saperne di più sulla funzione del reticolo endoplasmatico e dei ribosomi ad esso annessi, essi avevano avviato un’analisi integrata morfologica e biochimica del processo secretorio nel pancreas della cavia.

Un altro protagonista nel progresso di scoperta e caratterizzazione dei ribosomi fu la biologa statunitense Mary Locke Petermann (25febbraio 1908 – 13dicembre 1975). Negli anni quaranta, la dottoressa Petermann lavorava come chimica al Memorial Hospital di New York City, studiando il ruolo delle proteine plasmatiche nelle metastasi, per poi indagare il ruolo delle nucleoproteine nel cancro presso il neonato Sloan-Kettering Institute, NYC. Petermann usò una tecnica chiamata ultracentrifugazione analitica per separare i componenti cellulari in base alle dimensioni, isolando una popolazione di piccole particelle che inizialmente furono chiamate “particelle di Petermann” prima di essere formalmente chiamate “ribosomi” in una riunione della Biophysical Society nel 1958.

NUCLEOPROTEINE CITOPLASMATICHE

Fig. 2. della Nobel Lecture di Palade. Si evidenzia una cellula esocrina pancreatica cuna una serie di cisterne del reticolo endoplasmatico a superficie ruvida. CS: spazio della cisterna; CM: matrice citoplasmatica; FR: ribosomi liberi; AR: ribosomi attaccati; MER: membrana del reticolo endoplasmatico. Ingrandimento x 50.000.

Nel suo articolo del 1955, “A Stabilizing Factor for Cytoplasmic Nucleoproteins“, scritto a due mani con la collega dello Sloan-Kettering Institute Mary G. Hamilton, affermava che le nucleoproteine macromolecolari all’interno del citoplasma di cellule epatiche murine avevano valori di sedimentazione che oscillavano tra i 27 e 101 S, contenendo all’incirca un 45% di PNA (acido peptidonucleico, ossia un polimero organico simile al DNA e RNA), e che il loro isolamento e caratterizzazione era di grande importanza per la comprensione della sintesi proteica.

Nel 1974, il Premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina fu assegnato congiuntamente ad Albert Claude, Christian de Duve e George E. Palade “per le loro scoperte riguardanti l’organizzazione strutturale e funzionale della cellula“.

Il biologo belga Christian de Duve (2ottobre 1917 – 4marzo 2013) fu premiato per la scoperta dei lisosomi nel 1955.

PREMIO NOBEL PER LA MEDICINA DEL 1974

Ad Albert Claude, operante negli anni ’30 e ’40 al Rockefeller Institute, venne riconosciuto un ruolo dominante sia per l’applicazione del microscopio elettronico per lo studio delle cellule animali, sia per lo sviluppo della centrifugazione differenziale. L’avvento di queste due procedure ha significato una svolta nel campo e l’inizio della moderna biologia cellulare.

La linea di ricerca introdotta da Claude fu ripresa da collaboratori più giovani, in particolare George Palade che si associò al Rockefeller Institute nel 1947. Apportò importanti miglioramenti metodologici sia alla centrifugazione differenziale che alla microscopia elettronica. In particolare è diventato determinante nel combinare le due tecniche, spesso in combinazione, al fine di ottenere informazioni biologicamente di base. I suoi primi lavori, in gran parte in collaborazione con K. Porter, erano principalmente descrittivi, morfologici e dedicati ai componenti nell’area della cellula al di fuori del suo nucleo, il citoplasma.

Il comunicato stampa del Karolinska Institutet affermò che Palade aveva scoperto e descritto piccoli componenti granulari oggi conosciuti con il nome di ribosomi che ricoprono l’esterno delle membrane e dimostrò, con altri gruppi, che i ribosomi effettuano la sintesi proteica nella cellula.

Riferimenti:

“Microsomal Particles and Protein Synthesis“, Papers presented at the First Symposium of the Biophysical Society’, at the Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, February 5, 6, and 8, 1958; RICHARD B. ROBERTS, Editor
“Richard Brooke Roberts; 1910—1980“, A Biographical Memoir by Roy J. Britten (1993)
“George Emil Palade (1912–2008)“, di Günter Blobel, Nature volume 456, page 52 (2008)
“Isolation and Characterization of Bacterial Nucleoprotein Particles“, di WILLIAM C. GILLCHRIEST & ROBERT M. BOCK (Department of Biochemistry, University of Wisconsin), 1958
“OBITUARY – George Emil Palade (1912–2008)“, NATURE|Vol 456|6 November 2008
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1974/claude/biographical/
https://en.wikipedia.org/wiki/Keith_R._Porter
“A STUDY OF TISSUE CULTURE CELLS BY ELECTRON MICROSCOPY: METHODS AND PRELIMINARY OBSERVATIONS“, by K R Porter, A Claude, E F Fullam (J Exp Med. 1945 Mar 1;81(3):233-46.)
“Obituary: Ernest F. Fullam, 1911–2002“, by Erlandsen, Stanley L. (Microscopy Research and Technique)
Albert Claude: “The Coming Age of the Cell” Nobel Lecture – December 12, 1974.
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1974/palade/biographical/
https://en.wikipedia.org/wiki/Keith_R._Porter
“A small particulate component of the cytoplasm“, by G. E. PALADE [J Biophys Biochem Cytol. 1955 Jan;1(1):59-68.]
https://en.wikipedia.org/wiki/Sanford_Palay
“Philip Siekevitz: Bridging biochemistry and cell biology“, by David Sabatini; [J Cell Biol. 2010 Apr 5; 189(1): 3–5.]
Palade, G.E., and P. Siekevitz; 1956: “Liver microsomes: an integrated morphological and biochemical study“. J. Biophys. Biochem. Cytol. 2:171–200.
https://en.wikipedia.org/wiki/Mary_Locke_Petermann
<< From microsomes to ribosomes: “Strategies” of “representation”>>, by H J Rheinberger [J Hist Biol. 1995 Spring;28(1):49-89.; Volume 28, pages 49–89, (1995)]
“A Stabilizing Factor for Cytoplasmic Nucleoproteins“, by Mary L. Petermann and Mary G. Hamilton [J Biophys Biochem Cytol. 1955 Sep 25; 1(5): 469–472.]
https://cshlwise.org/wise-wednesdays/mary-locke-petermann/
“An ultracentrifugal analysis of the macromolecular particles of normal and leukemic mouse spleen“, by M L PETERMANN, M G HAMILTON [Cancer Res. 1952 May;12(5):373-8.]
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1974/duve/facts/
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1974/press-release/