PULEX - COSMIC SILENCE

Introduzione


I meccanismi molecolari coinvolti nella risposta biologica alla radiazione ambientale sono ancora poco noti e necessitano di essere approfonditi. Informazioni importanti possono essere ottenute analizzando le differenze tra sistemi biologici mantenuti in parallelo sia in condizioni di riferimento (Reference Radiation Environment, RRE) che in condizioni di fondo ambientale fortemente ridotto (Low Radiation Environment, LRE). I laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN rappresentano un’opportunità unica per questo tipo di sperimentazione essendo la radiazione cosmica praticamente assente ed il flusso di neutroni ridotto di un fattore 103.
Gli esperimenti denominati Pulex, condotti su cellule di diversa origine (lievito, roditore, uomo) hanno mostrato che la radiazione ambientale può agire come stimolo per innescare meccanismi di difesa rispetto ad un danno endogeno, essendo le cellule cresciute in condizioni di riferimento più resistenti al danno rispetto a cellule cresciute in un ambiente con fondo di radiazioni fortemente ridotto. Il progetto SILENZIO COSMICO ha lo scopo di approfondire lo studio dei meccanismi molecolari coinvolti nella risposta biologica alla radiazione ambientale di sistemi modello, sia in vitro che in vivo, a diversi livelli nella scala filogenetica.

Descrizione


Nel corso di miliardi di anni la vita sulla terra si è sviluppata in condizioni ambientali che comprendevano la presenza di radiazioni di provenienza spaziale e terrestre. Vari studi hanno cercato di valutare l’influenza della radiazione ambientale sulla materia vivente ed hanno messo in luce come condizioni di basso fondo di radiazioni possano influenzare il metabolismo cellulare. Nel 1995, sfruttando l’opportunità della presenza dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN, Satta e collaboratori hanno effettuato esperimenti volti allo studio della modulazione del potenziale mutagenico di agenti chimici in cellule di lievito mantenute per 120 generazioni in condizioni di radiazione ambientale estremamente ridotte (Low Radiation Environment, LRE). I risultati ottenuti hanno mostrato che la permanenza in LRE diminuisce i meccanismi di difesa del lievito Saccharomyces cerevisiae nei confronti di composti chimici radio-mimetici.
Da allora, nell’ambito di una collaborazione più estesa, una serie di studi biologici sono stati condotti nell’ambiente sotterraneo ai LNGS. Gli esperimenti Pulex (così chiamati in contrasto all’esperimento MACRO, in corso ai LNGS) hanno approfondito lo studio dell’influenza della radiazione ambientale sul metabolismo e sui meccanismi di risposta allo stress ossidativo di colture di cellule di roditore ed umane mantenute in parallelo, per un numero di generazioni confrontabile a quello dei lieviti, in diverse condizioni di fondo ambientale di radiazione.
Complessivamente, i dati ottenuti in vitro hanno mostrato che, così come per i lieviti, cellule di mammifero mantenute in condizioni di fondo di radiazione estremamente ridotto mostrano un diverso comportamento biochimico rispetto a cellule mantenute nell’ambiente di riferimento. In particolare, cellule coltivate nei laboratori sotterranei del Gran Sasso sono meno protette nei confronti del danno al DNA provocato da agenti chimici e fisici e mostrano una ridotta capacità di cattura di specie reattive dell’ossigeno (Reactive Oxygen Species, ROS) rispetto a cellule coltivate nel laboratorio di riferimento, ad es. quello presso l’Istituto Superiore di Sanità (ISS), Roma.

Il progetto SILENZIO COSMICO è partito più di recente con lo scopo di approfondire il ruolo giocato dalla radiazione ambientale nella risposta di sistemi biologici e, in particolare, di studiare i meccanismi molecolari coinvolti in tale risposta utilizzando altri sistemi modello in vitro (i.e., cellule di ibridoma A11, derivate dal topo transgenico pKZ1) e di estendere la sperimentazione a studi in vivo su sistemi modello con differenti livelli di complessità filogenetica (i.e., Drosophila melanogaster e topi transgenici pKZ1).
I risultati ottenuti finora utilizzando cellule A11 (gentilmente donate da P.Sykes, Flinders University, Adelaide, Australia) mantenute in coltura per 1 mese sia nel laboratorio sotterraneo dei LNGS che nel laboratorio di riferimento all’ISS hanno rafforzato l’ipotesi che la radiazione ambientale contribuisce allo sviluppo ed al mantenimento di meccanismi di difesa contro lo stress ossidativo. Inoltre, esperimenti mirati allo studio dell’espressione di alcuni geni coinvolti in questo tipo di risposta hanno mostrato che la presenza o assenza di una schermatura di 5 cm di ferro (in grado di ridurre la componente gamma dello spettro di radiazione di un fattore 10) non modifica in maniera significativa l’espressione genica in cellule mantenute in LRE. Per approfondire questo aspetto sono in corso esperimenti in collaborazione con J.B. Smith e collaboratori (Mexico State University) volti ad aumentare il livello di fondo gamma in LRE utilizzando KCl come sorgente di radiazione. Questi ricercatori, utilizzando cellule di mammifero e batteri cresciuti in condizioni di basso fondo ambientale nel laboratorio allestito presso il Waste Isolation Pilot Plant (WIPP), USA, hanno recentemente ottenuto evidenze sperimentali in accordo con quelle ottenute ai LNGS.
Per una interpretazione generale dei risultati ottenuti nell’ambito degli esperimenti Pulex-SILENZIO COSMICO è fondamentale una caratterizzazione dettagliata del campo di radiazioni presente nei diversi ambienti dove sono portati avanti gli esperimenti in vitro ed in vivo. Per questo è in corso una campagna di misure nei diversi siti di interesse, e cioè nei laboratori sotterranei del Gran Sasso (INFN) e nei laboratori esterni sia all’Università de L’Aquila che all’ISS. Dosimetri a termoluminescenza (LiF), dosimetri a luminescenza stimolata otticamente (Al2O3), rivelatori di neutroni di grandi dimensioni (BF3) e camere a ionizzazione ad alta pressione (Reuter-Stokes) sono stati scelti per misurare la dose ed il rateo di dose dovuti alla radiazione cosmica e terrestre. La presenza di Radon nell’aria è costantemente monitorata durante gli esperimenti mediante lo strumento Alfaguard. Nell’ambito di una collaborazione con M. Pavan, dell’Università di Milano-Bicocca, si prevede inoltre di integrare le misure sperimentali con simulazioni GEANT4 per implementare la modellizzazione della facility dove si svolgono gli esperimenti in modo da predire la dose al target a partire dai flussi di particelle.
Tutti i risultati finora ottenuti dagli esperimenti in vitro sono risultati coerenti con l’ipotesi che la radiazione ambientale contribuisca allo sviluppo ed al mantenimento di meccanismi di difesa degli organismi viventi. E’ però ben noto che non tutto il danno ha origine locale e che parte della risposta biologica è dovuta a meccanismi fisiologici che vanno al di là della risposta della singola cellula. Essenziale è quindi estendere lo studio dai sistemi cellulari agli organismi. Per poter condurre questo tipo di esperimenti è stata progettata ed è attualmente in fase di realizzazione una nuova facility dedicata alla sperimentazione in vivo. Questa facility, che verrà allestita a fianco alla facility Pulex per colture cellulari, sarà fornita di sistemi di controllo di temperatura, umidità e luce oltre che di un sistema indipendente di ventilazione. Una volta pronta, i primi esperimenti programmati saranno portati avanti utilizzando come sistema modello il moscerino della frutta Drosophila melanogaster. Nel futuro, una volta ottenute le necessarie autorizzazioni, sarà possibile effettuare esperimenti anche su sistemi modello murini. In questa previsione, la facility è stata progettata per ospitare un rack di stabulazione con 60 gabbie.

L’importanza di ridurre le incertezze nella valutazione del danno dovuto a dosi basse e protratte di radiazioni ionizzanti è un argomento particolarmente sentito dalla comunità scientifica (vedi Horizon 2020-EURATOM Foster Radiation Protection programme). L’approccio raccomandato prevede l’integrazione di studi epidemiologici con studi sperimentali condotti in vitro ed in vivo. In questo contesto, le infrastrutture di ricerca svolgono un ruolo fondamentale e facility sotterranee come quella dei LNGS rappresentano opportunità uniche per studiare effetti biologici ed i meccanismi che li sottintendono, in un ambiente dove i livelli di radiazione di fondo sono ben al di sotto di quelli medi ambientali.

Spokesperson
Maria Antonella Tabocchini (Istituto Superiore di Sanità, INFN-Gr.coll.Sanità, Centro Fermi, Rome, Italy)

La collaborazione
Istituto Superiore di Sanità and Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Roma1-Gr. coll.Sanità: M.Belli, E.Bortolin, C.DeAngelis, G.Esposito, P.Fattibene, C.Nuccetelli, M.A.Tabocchini
Radon laboratory of Istituto Nazionale di Metrologia delle Radiazioni Ionizzanti (INMRI) of Ente nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (ENEA): F.Cardellini
Laboratori Nazionali di Frascati, LNF-INFN, Unità funzionale di Fisica Sanitaria: M.Chiti, A.Esposito
L’Aquila University: E.Alesse, A.Tessitore, F.Zazzeroni, R.Iorio
“La Sapienza” University of Rome, Department of Biology & Biotechnology “C. Darwin”, Section of Genetics: G.Cenci
LNGS-INFN, Servizio di Chimica ed Impianti Chimici: M.Balata, L.Ioannucci
Centro Fermi: E.Fratini, F.Fischietti, L.Satta, G.Simone, M.A.Tabocchini
Università di Milano “La Bicocca”: M. Pavan

Altri collaboratori:


- Flinders University, Adelaide, Australia: P.Sykes, R.Omrsby

- New Mexico State University and WIPP Facility, underground repository, New Mexico, USA: G.Smith, H.Castillo 

- ASCR, Prague, Czech Republic: M. Davidkova

 

Pubblicazioni selezionate

Satta L, Augusti-Tocco G, Ceccarelli R, Esposito A, Fiore M, Paggi P, Poggesi I, Ricordy R, Scarsella G, Cundari E. (1995) Low environmental radiation background impairs biological defence of the yeast Saccharomyces cerevisiae to chemical radiomimetic agents. Mutat Res 347(3-4):129-33

Satta L, Antonelli F, Belli M, Sapora O, Simone G, Sorrentino E, Tabocchini M A, Amicarelli F, Ara C, Cerù MP, Colafarina S, Conti Devirgiliis L, De Marco A, Balata M, Falgiani A, Nisi S. (2002) Influence of a low background radiation environment on biochemical and biological responses in V79 cells. Radiat Environ Biophys 41 (3):217-24

Carbone MC, Pinto M, Antonelli F, Amicarelli F, Balata M, Belli M, Conti Devirgiliis L, Ioannucci L, Nisi S, Sapora O, et al. (2009) The Cosmic Silence Experiment: on the putative adaptive role of environmental ionizing radiation. Radiat. Environ. Biophys. 48:189-196

Capece D and Fratini E (2012) The use of pKZ1 mouse chromosomal inversion assay to study
biological effects of environmental background radiation. Eur. Phys. J. Plus 127: 37

Fratini E, Carbone C, Capece D, Esposito G, Simone G, Tabocchini M.A, Tomasi M, Belli M and Satta L (2015) Low radiation environment affects the development of protection mechanisms in V79 cells. Radiation Environmental Biophysics 54(2):183-94

Castillo H, Schoderbek D, Dulal S, Escobar G, Wood J, Nelson R, Smith G (2015) Stress induction in the bacteria Shewanella oneidensis and Deinococcus radiodurans in response to below-background ionizing radiation. Int.J.Radiat Biol. 91(9): 749 –756
Vernì F, Cenci G (2015) The Drosophila histone variant H2A.V works in concert with HP1 to promote kinetochore-driven microtubule formation. Cell Cycle 14(4):577-88.
Cenci G, Ciapponi L, Marzullo M, Raffa GD, Morciano P, Raimondo D, Burla R, Saggio I, Gatti G. (2015). The analysis of pendolino (peo) mutants reveals differences in the fusigenic potential among Drosophila telomeres. PLOS Genetics 11(6):e1005260