Le cellule staminali sono il motore della rigenerazione del nostro organismo. Ogni giorno si dividono per sostituire le cellule danneggiate e mantenere in salute tessuti e organi. Ma come decidono se continuare a proliferare oppure interrompere la propria attività? Per molto tempo gli scienziati hanno attribuito questa scelta a una combinazione di segnali esterni e casualità. Oggi una nuova ricerca suggerisce, invece, che le cellule possiedano una sorta di “memoria nascosta” che orienta il loro destino per molte generazioni.

Lo dimostra uno studio coordinato dall’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Isc) e da Sapienza Università di Roma, pubblicato sulla rivista PRX Life dell’American Physical Society. Il lavoro introduce un nuovo strumento teorico, chiamato inheritance entropy (entropia da eredità), che ha permesso di osservare per la prima volta come le informazioni vengano trasmesse lungo l’albero genealogico delle cellule staminali, influenzandone il comportamento futuro. La scoperta apre prospettive importanti per comprendere i processi di invecchiamento dei tessuti, migliorare le strategie di medicina rigenerativa e studiare alcuni dei meccanismi che rendono i tumori resistenti alle terapie.

Quando una cellula staminale si divide, dà origine a due cellule figlie che, a loro volta, possono continuare a proliferare, formando una vera e propria genealogia cellulare. Se si osserva questa discendenza nel tempo, emerge un fenomeno curioso. Alcuni rami dell’albero continuano a crescere per molte generazioni, mentre altri smettono improvvisamente di proliferare. Finora non era chiaro se questa differenza fosse il risultato di eventi casuali oppure di un programma biologico già presente nelle cellule progenitrici.

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno scelto un approccio insolito, prendendo in prestito uno dei concetti fondamentali della fisica statistica, l’entropia, cioè la misura del grado di disordine di un sistema. Applicando questo principio alle genealogie cellulari, gli scienziati hanno sviluppato il concetto di inheritance entropy, una misura capace di quantificare quanta informazione venga trasmessa da una generazione cellulare alla successiva. I risultati mostrano che il comportamento delle cellule è molto meno casuale di quanto si pensasse.

Durante alcune divisioni cellulari si attivano, infatti, modificazioni epigenetiche – cambiamenti che regolano l’attività dei geni senza modificare la sequenza del DNA – che vengono trasmesse alle cellule figlie. Queste modificazioni funzionano come una sorta di programma ereditario capace di influenzare il destino delle generazioni future. L’aspetto più sorprendente è che il loro effetto non è immediato. Quando si attiva questo “interruttore”, la cellula continua a dividersi normalmente ancora per diverse generazioni. Solo successivamente la sua discendenza perde progressivamente la capacità di proliferare fino ad arrestarsi del tutto. È come se ogni cellula ereditasse un conto alla rovescia invisibile che determina quando la propria linea familiare smetterà di crescere.

Secondo Andrea Cavagna del Cnr-Isc, tra gli autori dello studio, questo fenomeno genera una struttura altamente organizzata all’interno della colonia cellulare. L’esistenza di schemi così ordinati riduce l’entropia del sistema e dimostra che la proliferazione delle cellule staminali segue regole molto più precise di quanto si immaginasse, guidate da una memoria biologica che si trasmette lungo le generazioni.

La ricerca rafforza anche il ruolo centrale dell’epigenetica nella regolazione della vita cellulare. Se il DNA rappresenta il patrimonio genetico stabile della cellula, i meccanismi epigenetici ne regolano continuamente l’attività, decidendo quali geni debbano essere attivati o silenziati in risposta alle esigenze dell’organismo. Lo studio suggerisce che alcune di queste modificazioni non influenzino soltanto la singola cellula, ma possano essere trasmesse lungo l’intera genealogia cellulare, creando una vera e propria memoria biologica capace di orientare il comportamento delle generazioni successive.

Le possibili applicazioni della scoperta sono numerose. Nella medicina rigenerativa, comprendere come le cellule decidano quando interrompere la proliferazione potrebbe aiutare a migliorare le terapie basate sulle cellule staminali e a prolungarne la capacità rigenerativa. Anche lo studio dell’invecchiamento potrebbe beneficiare di questi risultati, dal momento che la progressiva perdita della capacità di rinnovamento dei tessuti rappresenta uno dei principali fattori dell’età avanzata.

Le implicazioni sono particolarmente interessanti anche in oncologia. Molti tumori sviluppano, infatti, cellule resistenti ai farmaci, responsabili delle recidive dopo le terapie. I ricercatori ipotizzano che anche questa capacità possa seguire una trasmissione ereditaria lungo le genealogie cellulari del tumore. L’entropia da eredità potrebbe, quindi, diventare uno strumento utile per ricostruire l’evoluzione delle cellule tumorali e capire se la resistenza terapeutica venga “tramandata” da alcune cellule progenitrici particolarmente aggressive, aprendo la strada a strategie terapeutiche più mirate.

Lo studio rappresenta, infine, un esempio significativo di come discipline apparentemente lontane possano dialogare tra loro. Integrando concetti della fisica statistica con la biologia cellulare, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo di osservare il comportamento delle cellule, dimostrando che strumenti matematici e fisici possono rivelare aspetti nascosti dei sistemi biologici.