Lo sviluppo iniziale è come una danza accuratamente coreografata, con fasce uniformi di cellule che si dispongono in schemi elaborati, un primo passo verso la formazione di organi funzionali. Uno strato piatto di cellule della pelle, ad esempio, deve passare a uno costellato di ordinate serie di cellule ciliate e ghiandole sudoripare.

Un nuovo studio del Laboratory of Morphogenesis presso la Rockefeller University, guidato da Amy Shyer e Alan Rodrigues, rivela che i modelli di sviluppo possono emergere spontaneamente dalle interazioni fisiche tra i collettivi cellulari e la matrice che li circonda. Tali interazioni generano proprietà fluide che consentono la formazione di schemi analoghi a come una pellicola d'acqua sul parabrezza si ritrae in goccioline.

Usando la pelle di pollo come sistema modello, i ricercatori hanno scoperto che le forze meccaniche tra le cellule rompono la simmetria del tessuto, spingendo le cellule ad aggregarsi in fasci periodicamente distanziati che in seguito faranno crescere piume in tutto il tessuto cutaneo. Questi cambiamenti strutturali innescano cambiamenti secondari dell'espressione genica che portano alla classica segnalazione molecolare, spingendo ulteriormente lo sviluppo.

I risultati, pubblicati in Cell , forniscono una migliore comprensione dei fattori fisici coinvolti nella forma degli organi.

"Lo sviluppo degli organi implica una collaborazione continua tra processi meccanici e molecolari", afferma l'assistente professore Amy Shyer. "Capire la sequenza precisa dei passaggi in quel ciclo di feedback potrebbe aiutarci a riparare i tessuti o studiare la formazione del tumore da nuove angolazioni".

Strutture in aumento

Quando nuovi organi emergono da un tessuto embrionale omogeneo, sembrano eliminare la struttura ottimale da molte possibilità. "Una delle cose misteriose di queste strutture è che hanno uno schema perfetto integrato che massimizza davvero l'efficienza della loro funzione", afferma Shyer.

Storicamente, i geni hanno avuto gran parte del merito di questa impresa di ingegneria biologica. Sono i nostri geni, si pensava, a fornire un modello molecolare che determina come le cellule si specializzano in componenti specifici dell'organo e come si riordinano per dare origine a strutture intricate. Ma alcuni scienziati hanno trovato ragioni per mettere in dubbio questa teoria. Ad esempio, alcune strutture si formano su una scala così ampia che è difficile spiegare come i segnali molecolari sovrintendano alla formazione di pattern su un raggio così lungo, suggerendo che devono essere in gioco altri meccanismi.

Prendendo una prospettiva alternativa, Shyer e Rodrigues si stanno concentrando sul ruolo della meccanica cellulare collettiva nella morfogenesi. Il loro lavoro precedente ha dimostrato che i cambiamenti morfologici nella pelle degli uccelli compaiono prima che i geni implicati nella formazione dei follicoli vengano espressi. "Quindi non sono necessariamente i geni che avviano i primi cambiamenti morfologici", dice Rodrigues. "Invece, abbiamo scoperto che le cellule si auto-organizzano per avviare i follicoli. Allo stesso tempo, non conoscevamo il meccanismo preciso che consente questa auto-organizzazione".

Allineamento collettivo

Nel nuovo studio, il team di Shyer e Rodrigues ha deciso di dare un'occhiata più da vicino a ciò che spinge esattamente il tessuto a cambiare. Per ingrandire i momenti che precedono la formazione del pattern, i ricercatori hanno utilizzato cellule cutanee primarie appena prelevate da embrioni di pollo e hanno aggiunto collagene, un componente essenziale che fornisce struttura alla pelle. Solo questi due ingredienti sono stati sufficienti perché l'intero processo si svolgesse in un piatto da laboratorio. Questo sistema ha permesso ai ricercatori di ricostruire lo sviluppo naturale della pelle eliminando ogni potenziale segnale molecolare dai tessuti vicini.

Osservando il processo di aggregazione cellulare fotogramma per fotogramma, Karl Palmquist, autore principale dello studio, ha scoperto che le cellule contrattili della pelle hanno iniziato ad attaccarsi al substrato a base di collagene a forma di rete che le circonda e ad esercitarsi su di esso. Ha quindi fatto un'osservazione chiave:la forza di trazione di molte cellule riallinea la matrice in una struttura altamente ordinata che resiste alla trazione. Le cellule, percependo l'aumento della tensione, si contraggono sempre di più, aumentando la loro trazione. Alla fine, le forze reciproche tra le cellule e la matrice extracellulare generano un allineamento collettivo delle cellule che consente al campo cellulare di trasformarsi in uno schema ordinato di aggregati simili a follicoli.

Insieme ad Anna Erzberger, un'autrice senior che era un post-dottorato nel laboratorio di James A. Hudspeth ed è attualmente un capogruppo presso il Laboratorio europeo di biologia molecolare di Heidelberg, in Germania, il team ha sviluppato un modello teorico di sviluppo della pelle basato sul proprietà fisiche dei fluidi. Questo modello ha predetto accuratamente la formazione spontanea di aggregati multicellulari regolari.

Il team sta progettando di studiare come una meccanica multicellulare simile possa essere parte integrante della strutturazione di altri tessuti del corpo in fase di sviluppo e malattia.