La natura è piena di schemi. Tra questi ci sono i modelli di piastrellatura, che imitano ciò che vedresti sul pavimento piastrellato del bagno, caratterizzato da piastrelle e interfacce, come la malta, nel mezzo. In natura, la colorazione di una giraffa è un esempio di motivo piastrellato. Ma cosa fa formare questi modelli naturali?

Un nuovo studio dell'Università dell'Arizona utilizza i batteri per capire come nascono le piastrelle e le interfacce. I risultati hanno implicazioni per comprendere come la vita multicellulare complessa potrebbe essersi evoluta sulla Terra e come potrebbero essere creati nuovi biomateriali da fonti biologiche.

In molti sistemi biologici, i modelli di piastrellatura sono funzionalmente importanti. Ad esempio, le ali di una mosca hanno tessere e interfacce. Le vene, che forniscono stabilità e contengono i nervi, sono interfacce che rompono un'ala in tessere più piccole. E negli esseri umani, la retina nella parte posteriore dell'occhio interno contiene cellule disposte come un mosaico di tessere per elaborare ciò che è nel nostro campo visivo.

Numerose ricerche hanno esaminato come tali modelli possono essere stabiliti attraverso interazioni biochimiche. Tuttavia, i modelli possono anche essere stabiliti attraverso interazioni meccaniche. Questo processo non è così ben compreso.

Un nuovo articolo pubblicato su Natura getta nuova luce sulla formazione di modelli meccanici. È stato guidato dall'ex collega post-dottorato dell'UArizona Honesty Kim. Ingmar Riedel-Kruse, professore associato presso il Dipartimento di biologia molecolare e cellulare dell'UArizona, è l'autore senior dell'articolo.

Il laboratorio Riedel-Kruse, in collaborazione con i ricercatori del Dipartimento di matematica applicata del Massachusetts Institute of Technology, ha utilizzato i batteri per modellare il modo in cui possono sorgere modelli di piastrellatura attraverso interazioni meccaniche.

Il team ha sviluppato varie molecole adesive o appiccicose che sono state posizionate sulla superficie delle cellule batteriche, consentendo a diversi tipi di cellule di aderire selettivamente. Quando questi batteri alterati sono stati quindi posti su una capsula di Petri, i batteri hanno iniziato a crescere l'uno verso l'altro. Ogni volta che due diversi tipi batterici si incontravano, si formava o meno un'interfaccia, a seconda che le loro molecole di adesione superficiale fossero complementari o meno. Le interfacce erano in genere larghe mezzo millimetro e lunghe da tre a 10 millimetri e contenevano milioni di batteri. Molte di queste interfacce hanno quindi prodotto una varietà di modelli di piastrellatura complessi, a seconda dei posizionamenti batterici iniziali sulla capsula di Petri.

Gli autori hanno quindi studiato quali tipi di pattern di piastrellatura potrebbero essere generati e se esiste una logica sottostante. Hanno scoperto che solo quattro diverse molecole adesive sono sufficienti per creare qualsiasi possibile modello di piastrellatura. I modelli di piastrellatura possono variare per forma, dimensione e posizione delle interfacce.

"Lo abbiamo dimostrato matematicamente con il famoso teorema della mappa a quattro colori, che afferma che non sono necessari più di quattro colori per assicurarci che due paesi che si toccano su una mappa politica non abbiano lo stesso colore", ha detto Riedel-Kruse.

I ricercatori hanno generato molti modelli diversi in questo modo, incluso uno che utilizzava le interfacce per sillabare "U of A" per l'Università dell'Arizona.

Le idee proposte dal documento possono portare alla fine ad applicazioni pratiche.

Gli scienziati potrebbero creare biomateriali modellati, che sono fatti da esseri viventi e potrebbero degradarsi più velocemente dei materiali sintetici come la plastica, con le proprietà desiderate. Ad esempio, potrebbero creare un materiale con uno schema specifico che potrebbe controllare la facilità con cui il liquido scorre sulla superficie del materiale.

"Usando la logica di questa ricerca, la forma, la struttura, l'elasticità e persino il modo in cui il fluido risponde, entrando nel materiale o venendo respinto, possono essere controllati", ha affermato Riedel-Kruse. "Oppure prendi in considerazione le biofabbriche microbiche per la produzione di farmaci e altre sostanze chimiche. Potremmo controllare dove vengono posizionati i diversi batteri l'uno rispetto all'altro per eseguire parti diverse di una reazione complessa".

Il fatto che siano necessarie solo quattro adesioni per creare virtualmente tutti i possibili modelli di piastrellatura fornisce anche nuove prospettive su come la complessa vita multicellulare potrebbe essersi evoluta sulla Terra dalla vita unicellulare.

"La scoperta che quattro diverse adesioni sono tutto ciò che serve per creare modelli di vita molto diversificati suggerisce che una volta che fossero disponibili un numero sufficiente di componenti adesivi, la biologia dello sviluppo potrebbe generare molte nuove forme", ha affermato Riedel-Kruse.