Le ciglia sono minuscole strutture simili a capelli sulle cellule in tutto il nostro corpo che svolgono una varietà di funzioni tra cui la pulizia delle nostre vie aeree, la circolazione del liquido cerebrospinale nel nostro cervello e il trasporto di uova nelle tube di Falloppio. Sebbene i ricercatori comprendano la loro funzione, non comprendono appieno come generano i movimenti specializzati per svolgere tali funzioni.

Un team di ricercatori della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, guidato da Louis Woodhams, docente senior, e Philip V. Bayly, il Distinguished Professor Lee Hunter e presidente del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali, ha sviluppato un nuovo modello matematico del ciglio che batte a causa di un'instabilità meccanica chiamata "flutter" che si forma sotto forze costanti generate dalla proteina motoria dineina. Questa instabilità del flutter su microscala è simile al flutter aerodinamico nei sistemi più grandi, che ha portato al noto crollo del Tacoma Narrows Bridge, e si verifica anche nelle ali degli aerei e nelle pale delle turbine.

I risultati della ricerca sono apparsi sulla copertina del numero di agosto di Journal of the Royal Society Interface .

Le ciglia si battono in modi diversi:il flagello che si trova sulla coda di uno spermatozoo spinge il fluido in modo simmetrico, mentre altri tipi di ciglia tirano in modo asimmetrico, simile al movimento a rana di un nuotatore. Altri ancora, come le ciglia nel nodo embrionale, si muovono con un movimento circolare o vorticoso.

"Abbiamo realizzato un modello personalizzato agli elementi finiti che ci consente di esplorare in modo efficiente lo spazio dei parametri del modello e di fornirci un ritratto del comportamento del sistema", ha affermato Woodhams, primo autore dell'articolo. "Questo modello può essere utilizzato per spiegare le forme simmetriche, asimmetriche e 3D delle ciglia."

Il team ha costruito un modello che ha sei filamenti all'esterno e uno all'interno che era un'approssimazione della struttura dell'assonema flagellare, il fascio di microtubuli che costituiscono il nucleo centrale di un cilio. Poiché molte strutture proteiche nell'assonema sono troppo piccole per misurarne direttamente le proprietà, il modello matematico ha permesso loro di esplorare come l'accoppiamento tra i singoli filamenti influenzerebbe la frequenza e la forma del battito.

"Con questo modello, potremmo provare diverse grandezze di forza dynein e diverse rigidità delle strutture interne", ha detto Woodhams. "Cercare di simulare il sistema utilizzando un software commerciale può richiedere ore per risolvere un sistema. Con questo approccio, possiamo risolvere migliaia di punti di parametri e ottenere un'istantanea del comportamento del sistema su molti punti diversi".

Il laboratorio di Bayly ha lavorato con le ciglia come modello per studiare le vibrazioni, il moto ondoso e l'instabilità nei sistemi meccanici e biomedici. La nuova ricerca si basa sul lavoro precedente consentendo un'analisi efficiente degli autovalori, che caratterizza la frequenza e la forma del battito, in un modello multifilamento dell'assonema utilizzando matrici di elementi finiti personalizzate. Il modello include una nuova rappresentazione matematica della proteina motoria dineina che bilancia le forze e i momenti interni esattamente come si deforma l'assonema.

"Il modello di Louie è un importante contributo al campo. Dimostra rigorosamente e chiaramente che un'instabilità meccanica del flutter potrebbe essere alla base del battito delle ciglia, uno dei fenomeni biofisici più onnipresenti e importanti in natura", ha detto Bayly. + Esplora ulteriormente

Fare scalpore:i ricercatori fanno luce su come funzionano le ciglia