Man mano che gli embrioni si sviluppano, seguono schemi predeterminati di piegatura dei tessuti, in modo che gli individui della stessa specie finiscano con organi di forma quasi identica e forme del corpo molto simili.

Gli scienziati del MIT hanno ora scoperto una caratteristica chiave del tessuto embrionale che aiuta a spiegare come questo processo venga eseguito ogni volta in modo così fedele. In uno studio sui moscerini della frutta, hanno scoperto che la riproducibilità del ripiegamento dei tessuti è generata da una rete di proteine ​​che si collegano come una rete da pesca, creando molti percorsi alternativi che i tessuti possono utilizzare per piegarsi nel modo giusto.

"Abbiamo scoperto che c'è molta ridondanza nella rete, "dice Adam Martin, un professore associato di biologia del MIT e autore senior dello studio. "Le cellule interagiscono e si collegano tra loro meccanicamente, ma non vedi le singole celle assumere un ruolo importantissimo. Ciò significa che se una cella viene danneggiata, altre cellule possono ancora connettersi a parti disparate del tessuto".

Per scoprire queste funzionalità di rete, Martin ha lavorato con Jörn Dunkel, un professore associato di matematica fisica applicata al MIT e autore dell'articolo, applicare un algoritmo normalmente utilizzato dagli astronomi per studiare la struttura delle galassie.

Hannah Yevick, un postdoc del MIT, è l'autore principale dello studio, che appare oggi in Cellula dello sviluppo . Il dottorando Pearson Miller è anche un autore del documento.

Una rete di sicurezza

Durante lo sviluppo embrionale, i tessuti cambiano la loro forma attraverso un processo noto come morfogenesi. Un importante modo in cui i tessuti cambiano forma è piegarsi, che consente a fogli piatti di cellule embrionali di diventare tubi e altre forme importanti per organi e altre parti del corpo. Precedenti studi sui moscerini della frutta hanno dimostrato che anche quando alcune di queste cellule embrionali sono danneggiate, i fogli possono ancora piegarsi nelle loro forme corrette.

"Questo è un processo abbastanza riproducibile, e quindi volevamo sapere cosa lo rende così robusto, " dice Martino.

In questo studio, i ricercatori si sono concentrati sul processo di gastrulazione, durante il quale l'embrione viene riorganizzato da una sfera a un solo strato a una struttura più complessa a più strati. Questo processo, e altri processi morfogenetici simili al ripiegamento del tessuto del moscerino della frutta, si verificano anche negli embrioni umani. Le cellule embrionali coinvolte nella gastrulazione contengono nel loro citoplasma proteine ​​chiamate miosina e actina, che formano cavi e si collegano alle giunzioni tra le cellule per formare una rete attraverso il tessuto. Martin e Yevick avevano ipotizzato che la rete di connettività cellulare potesse svolgere un ruolo nella robustezza del ripiegamento dei tessuti, ma fino ad ora, non c'era un buon modo per tracciare le connessioni della rete.

Per ottenere ciò, Il laboratorio di Martin ha unito le forze con Dunkel, che studia la fisica delle superfici morbide e della materia che scorre, ad esempio, formazione di rughe e modelli di streaming batterico. Per questo studio, Dunkel ha avuto l'idea di applicare una procedura matematica in grado di identificare le caratteristiche topologiche di una struttura tridimensionale, analogo a creste e valli in un paesaggio. Gli astronomi usano questo algoritmo per identificare le galassie, e in questo caso, i ricercatori lo hanno usato per tracciare le reti di actomiosina attraverso e tra le cellule in un foglio di tessuto.

"Una volta che hai la rete, puoi applicare metodi standard dall'analisi di rete, lo stesso tipo di analisi che applicheresti alle strade o ad altre reti di trasporto, o la rete di circolazione sanguigna, o qualsiasi altra forma di rete, "Dunkel dice.

Tra l'altro, questo tipo di analisi può rivelare la struttura della rete e l'efficienza con cui le informazioni scorrono lungo di essa. Una domanda importante è quanto bene si adatta una rete se parte di essa viene danneggiata o bloccata. Il team del MIT ha scoperto che la rete dell'actomiosina contiene una grande quantità di ridondanza, ovvero la maggior parte dei "nodi" della rete sono collegati a molti altri nodi.

Questa ridondanza integrata è analoga a un buon sistema di trasporto pubblico, dove se una linea di autobus o treno scende, puoi ancora arrivare a destinazione. Poiché le cellule possono generare tensione meccanica lungo molti percorsi diversi, possono piegarsi nel modo giusto anche se molte delle celle della rete sono danneggiate.

"Se io e te teniamo una corda sola, e poi lo tagliamo a metà, andrebbe a pezzi. Ma se hai una rete, e tagliarlo in alcuni punti, rimane ancora globalmente connesso e può trasmettere forze, finché non lo tagli tutto, "Dunkel dice.

Struttura pieghevole

The researchers also found that the connections between cells preferentially organize themselves to run in the same direction as the furrow that forms in the early stages of folding.

"We think this is setting up a frame around which the tissue will adopt its shape, " Martin says. "If you prevent the directionality of the connections, then what happens is you can still get folding but it will fold along the wrong axis."

Although this study was done in fruit flies, similar folding occurs in vertebrates (including humans) during the formation of the neural tube, which is the precursor to the brain and spinal cord. Martin now plans to apply the techniques he used in fruit flies to see if the actomyosin network is organized the same way in the neural tube of mice. Defects in the closure of the neural tube can lead to birth defects such as spina bifida.

"We would like to understand how it goes wrong, " Martin says. "It's still not clear whether it's the sealing up of the tube that's problematic or whether there are defects in the folding process."