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Il miracolo del congelamento biologico: perché alcune creature possono sopravvivere a -196°C?
Nella comunità scientifica, la tecnologia del congelamento ha sempre rappresentato una direzione importante nell'esplorazione della continuazione della vita. Il biocongelamento, o crioconservazione, mira a congelare cellule, tessuti o organi per prolungarne la durata di conservazione. Questa tecnologia consente di arrestare efficacemente qualsiasi metabolismo cellulare che potrebbe danneggiare i materiali biologici a basse temperature (tipicamente -80°C o -196°C utilizzando azoto liquido).
Questa tecnologia non solo svolge un ruolo importante nella conservazione dei campioni biologici, ma svolge anche un ruolo enorme nel trasporto di campioni biologici su lunghe distanze. Per lo shock osmotico e lo stress fisico che le cellule subiscono durante il congelamento, i ricercatori spesso aggiungono alcune molecole speciali chiamate crioprotettori (CPA) per ridurre questi rischi. Questi crioprotettori si ispirano principalmente alle creature naturali resistenti al freddo, come alberi, rane selvatiche e tardigradi.
"Gli organismi microbici come i tardigradi resistono al congelamento sostituendo la maggior parte della loro acqua interna con lo zucchero, che impedisce il verificarsi della cristallizzazione, che può causare danni alle membrane cellulari."
Esempi di crioconservazione naturale
In natura, molti organismi hanno una straordinaria resistenza al gelo. Le rane selvatiche, ad esempio, sono in grado di accumulare urea nel sangue e in altri tessuti in preparazione all’inverno. Anche il glicogeno nel fegato viene convertito massicciamente in glucosio a fronte della formazione di cristalli di ghiaccio interni. Tutte queste sostanze agiscono come crioprotettori, limitando la formazione di ghiaccio e riducendo il restringimento osmotico delle cellule. La ricerca mostra che le rane possono sperimentare molteplici eventi di congelamento e scongelamento in inverno, a condizione che il 65% della loro acqua corporea non si congeli.
Storia della crioconservazione
Per quanto riguarda la prima teoria della crioconservazione, James Lovelock propose nel 1953 che il danno ai globuli rossi durante il congelamento fosse dovuto principalmente alla pressione osmotica. Ha condotto una serie di esperimenti e ha confermato che alcuni animali (come i criceti) possono resistere al congelamento del 60% dell'acqua con raffreddamento lento.
Con il progresso della tecnologia di congelamento, la crioconservazione dei materiali del corpo umano iniziò ad entrare nella fase di applicazione nel 1954. Successivamente, nel 1966, furono crioconservati i primi resti umani. Nel 1967, il corpo di James Bedford divenne il primo corpo nella storia ad essere crioconservato con la speranza di una futura resurrezione.
Rischi durante la crioconservazione
Durante la crioconservazione, le cellule possono andare incontro a diversi rischi di danno, tra cui effetti della soluzione, formazione di cristalli di ghiaccio extracellulari, disidratazione e formazione di cristalli di ghiaccio intracellulari. Sebbene questi effetti possano essere ridotti dai crioprotettori, dopo il congelamento l’effetto protettivo del materiale conservato contro ulteriori danni risulta potenziato.
"Quando le cellule sono congelate, se la velocità di raffreddamento è sufficientemente lenta, l'acqua può lasciare la cellula in quantità sufficiente per evitare la formazione di cristalli di ghiaccio interni mortali."
Principali metodi di prevenzione dei rischi di crioconservazione
Le principali tecniche per prevenire i danni da congelamento includono velocità di raffreddamento controllate e congelamento lento, nonché una tecnica più recente chiamata vetrificazione. La tecnologia di congelamento lentamente programmabile è stata ampiamente utilizzata in campi che includono esseri umani, animali e biologia cellulare.
Il processo di vetrificazione raffredda rapidamente il campione e previene la formazione di cristalli di ghiaccio, riducendo così i possibili danni durante il processo di congelamento. Questa tecnologia è stata introdotta per la crioconservazione riproduttiva dalla metà degli anni ’80 e fino ad oggi è stata utilizzata con successo in varie pratiche cliniche.
L'importanza della crioconservazione per la biotecnologia
Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, l'applicazione della crioconservazione non si limita alla conservazione di campioni biologici, ma si estenderà anche a campi come la terapia genica e la ricerca sulle cellule staminali. La tecnologia di crioconservazione apre ampie prospettive per la futura ricerca biologica e applicazioni cliniche.
Per molte persone o creature che affrontano minacce esistenziali, il progresso di questa tecnologia significa che in futuro si potranno trovare nuove possibilità di vita. Non vale la pena riflettere?
