Le cellule uovo sono le singole cellule più grandi del pianeta. Le loro dimensioni, spesso da diverse a centinaia di volte superiori a quelle di una cellula tipica, consentono loro di crescere fino a diventare organismi interi, ma rendono anche difficile il trasporto di nutrienti e altre molecole all'interno della cellula. Gli scienziati sanno da tempo che gli ovociti in maturazione, chiamati ovociti, generano flussi di fluidi interni simili a tornanti per trasportare i nutrienti, ma il modo in cui tali flussi si originano è rimasto un mistero.
Ora, una ricerca condotta da scienziati computazionali del Flatiron Institute, insieme a collaboratori delle università di Princeton e della Northwestern, ha rivelato che questi flussi, che sembrano tornado microscopici, nascono organicamente dalle interazioni di alcuni componenti cellulari.
Il loro lavoro, pubblicato su Nature Physics , ha utilizzato la teoria, la modellazione computerizzata avanzata ed esperimenti con le cellule uovo del moscerino della frutta per scoprire i meccanismi dei tornado. I risultati stanno aiutando gli scienziati a comprendere meglio le questioni fondamentali sullo sviluppo delle cellule uovo e sul trasporto cellulare.
"I nostri risultati rappresentano un grande passo avanti in questo campo", afferma il coautore Michael Shelley, direttore del Center for Computational Biology (CCB) del Flatiron Institute. "Siamo stati in grado di applicare tecniche numeriche avanzate derivanti da altre ricerche che abbiamo sviluppato per anni, che ci hanno permesso di osservare questo problema molto meglio di quanto fosse mai stato possibile prima."
In una tipica cellula umana, una tipica molecola proteica impiega solo dai 10 ai 15 secondi per spostarsi da un lato all'altro della cellula tramite diffusione; in una piccola cellula batterica, questo viaggio può avvenire in un solo secondo. Ma negli ovuli del moscerino della frutta studiati qui, la sola diffusione richiederebbe un giorno intero, troppo tempo perché la cellula possa funzionare correttamente. Invece, questi ovociti hanno sviluppato "flussi tortuosi" che circolano all'interno dell'ovocita per distribuire rapidamente proteine e sostanze nutritive, proprio come un tornado può raccogliere e spostare il materiale molto più lontano e più velocemente del solo vento.
"Dopo essere stato fecondato, l'ovocita diventerà il futuro animale", afferma il coautore dello studio Sayantan Dutta, ricercatore presso Princeton e CCB. "Se distruggi il flusso nell'ovocita, l'embrione risultante non si sviluppa."
I ricercatori hanno utilizzato un pacchetto software avanzato di biofisica open source chiamato SkellySim, sviluppato dai ricercatori del Flatiron Institute.
Con SkellySim hanno modellato i componenti cellulari coinvolti nella creazione dei twister. Questi includono i microtubuli – filamenti flessibili che rivestono l’interno di una cellula – e i motori molecolari, che sono proteine specializzate che fungono da cavalli da lavoro cellulari, trasportando gruppi speciali di molecole note come carichi utili. Gli scienziati non sono esattamente sicuri di cosa siano fatti questi carichi utili, ma svolgono un ruolo chiave nella generazione dei flussi.
I ricercatori hanno simulato il movimento di migliaia di microtubuli mentre rispondevano alle forze esercitate dai motori molecolari che trasportano il carico utile. Andando avanti e indietro tra gli esperimenti e le loro simulazioni, i ricercatori sono stati in grado di comprendere la struttura dei flussi twister e come nascono dall'interazione tra il fluido cellulare e i microtubuli.
"Il nostro lavoro teorico ci consente di ingrandire e misurare e visualizzare effettivamente questi tornado in 3D", afferma il coautore dello studio e ricercatore CCB Reza Farhadifar. "Abbiamo visto come questi microtubuli possano generare flussi su larga scala solo attraverso l'autorganizzazione, senza alcun segnale esterno."
I modelli hanno rivelato che all’interno dell’ovocita, i microtubuli si deformano sotto la forza dei motori molecolari. Quando un microtubulo si deforma o si piega sotto questo carico, provoca il movimento del fluido circostante, che può riorientare altri microtubuli.
In un gruppo sufficientemente ampio di microtubuli piegati, tutti i microtubuli si piegano nella stessa direzione e i flussi di fluido diventano "cooperativi". Con i microtubuli piegati collettivamente, i carichi utili in movimento creano un vortice o un flusso simile a un tornado attraverso l’intero uovo, aiutando le molecole a disperdersi nella cellula. Con i twister, le molecole possono viaggiare attraverso la cellula in 20 minuti invece che in 20 ore.
"Il modello ha dimostrato che il sistema ha un'incredibile capacità di organizzarsi per creare questo flusso funzionale", afferma Shelley. "E hai solo bisogno di pochi ingredienti:solo microtubuli, la geometria della cellula e motori molecolari che trasportano carichi utili."
Le nuove scoperte gettano le basi per una migliore comprensione dello sviluppo delle cellule uovo. I risultati potrebbero anche aiutare a demistificare il trasporto di materiale in altri tipi di cellule.
"Ora che sappiamo come si formano questi tornado, possiamo porci domande più profonde, ad esempio come mescolano le molecole all'interno della cellula?" Farhadifar dice. "Questo apre un nuovo dialogo tra teoria ed esperimento."
Il nuovo lavoro fornisce uno sguardo nuovo sui microtubuli, dice Dutta. I microtubuli svolgono un ruolo centrale in vari tipi di cellule e funzioni cellulari, come la divisione cellulare, in quasi tutti gli organismi eucarioti, come piante e animali. Ciò li rende "una parte molto importante della cassetta degli attrezzi di una cellula", afferma Dutta.
"Per comprendere meglio i loro meccanismi, penso che il nostro modello aiuterà a guidare lo sviluppo di molti altri problemi davvero interessanti nella biofisica cellulare."
Ulteriori informazioni: Sayantan Dutta et al, Twister intracellulari auto-organizzati, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02372-1
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
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