Nell'anno del centenario della pubblicazione di un trattato seminale sui principi fisici e matematici alla base della natura - On Growth and Form di D'Arcy Wentworth Thompson - un fisico di Cambridge ha condotto uno studio che descrive una soluzione elegantemente semplice a un enigma che ha messo a dura prova i biologi per secoli:come sorgono complessi modelli di ramificazione dei tessuti.

I modelli di ramificazione si verificano in tutta la natura - negli alberi, felci e coralli, per esempio - ma anche su una scala molto più fine, dove sono essenziali per garantire che gli organismi possano scambiare gas e fluidi con l'ambiente in modo efficiente massimizzando la superficie disponibile.

Per esempio, nell'intestino tenue, il tessuto epiteliale è disposto in una serie di sporgenze simili a dita. In altri organi, come il rene, polmone, ghiandole mammarie, pancreas e prostata, le superfici di scambio sono impacchettate in modo efficiente attorno a intricate strutture epiteliali ramificate.

"Sulla superficie, la questione di come crescono queste strutture - strutture che possono contenere fino a 30 o 40 generazioni di ramificazioni - sembra incredibilmente complessa, "dice il professor Ben Simons, che ha condotto lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Cellula . Il professor Simons ricopre incarichi presso il Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge e il Wellcome Trust/Cancer Research UK Gurdon Institute.

Questo classico problema della "morfogenesi ramificata" ha attirato per secoli l'attenzione di scienziati e matematici. Infatti, le basi matematiche della morfogenesi - il processo biologico che fa sì che gli organismi sviluppino la loro forma - erano oggetto del classico testo di D'Arcy Wentworth Thompson, pubblicato nel 1917 dalla Cambridge University Press. Thompson era stato uno studente a Cambridge, studiando zoologia al Trinity College, e per breve tempo ha lavorato come Junior Demonstrator in Fisiologia.

Durante lo sviluppo, le strutture ramificate sono orchestrate da cellule staminali che guidano un processo di crescita e divisione duttale (o "biforcazione"). Ogni ramo successivo smetterà di crescere, o continuare a ramificare di nuovo. In uno studio pubblicato su Natura all'inizio di quest'anno, Il professor Simons, lavorando in collaborazione con il dottor Jacco van Rheenen presso l'Hubrecht Institute di Utrecht, ha dimostrato che, nella ghiandola mammaria, questi processi di divisione e terminazione avvengono casualmente, ma con quasi uguale probabilità.

"Mentre è in corso un processo decisionale collettivo che coinvolge diversi tipi di cellule staminali, la nostra scoperta che la crescita avviene quasi al lancio di una moneta ha suggerito che potrebbe esserci una regola molto semplice alla base di essa, "dice il professor Simons.

Il professor Simons e il suo collega, il dottor Edouard Hannezo, hanno osservato che c'era pochissimo attraversamento dei rami:i dotti sembravano espandersi per riempire lo spazio, ma non sovrapporsi. Ciò li ha portati a congetturare che i dotti crescessero e si dividessero, ma appena una punta toccò un altro ramo, si fermerebbe.

"In questo modo, generi una rete che riempie perfettamente lo spazio, con precisamente l'organizzazione statistica osservata, attraverso la più semplice istruzione locale:ti dirama e ti fermi quando incontri un condotto in maturazione, "dice il dottor Hannezo, un Sir Henry Wellcome Postdoctoral Fellow con sede presso il Gurdon Institute. "Questo ha enormi implicazioni per la biologia di base. Ti dice che complesse strutture epiteliali ramificate si sviluppano come un processo auto-organizzato, affidamento su un sorprendentemente semplice, ma generico, regola, senza ricorrere a un rigido, sequenza predeterminata di eventi geneticamente programmati".

Sebbene queste osservazioni fossero basate sull'epitelio della ghiandola mammaria, utilizzando i dati primari della dott.ssa Rosemary Sampogna della Columbia University, La professoressa Anna Philpott a Cambridge e il dottor Rakesh Heer alla Newcastle University, the researchers were able to show that the same rules governed the embryonic development of the mouse kidney, pancreas and human prostate.

"In the mammary gland, you have a hundred or more fate-restricted stem-like cells participating in this bifurcation-growth-bifurcation process, whereas in the pancreas it's just a handful; but the basic dynamics are the same, " says Professor Simons. "The model is aesthetically beautiful, because the rules are so simple and yet they are able to predict the complex branching patterns of these structures."

The researchers say their discovery may offer insights into the development of breast and pancreatic cancer, where the earliest stages of the disease often show an irregular tangled ductal-like organisation.

"A century after the publication of On Growth and Form, it's exciting to see how the concepts of self-organisation and emergence continue to offer fresh perspectives on the development of biological systems, framing new questions about the regulatory mechanisms operating at the cellular and molecular scale, " Professor Simons adds.

While it may be too early to tell whether similar rules apply to other branched tissues and organisms, there are interesting parallels:branching in trees appears to follow a similar pattern, Per esempio, with side branches growing and bifurcating until they are shaded or until they are screened by another branch, at which point they stop.

The research was funded by the Wellcome Trust with additional core support from Cancer Research UK and the Medical Research Council.

Dr Sheny Chen from Wellcome's Cellular and Developmental Science team, said:"This is an elegant study that helps us to understand what guides the decisions our cells make during essential developmental processes. It's fascinating to see that such simple rules can govern the generation of such highly complex patterns and that these rules can apply to different branched structures."