L'anno scorso, i ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno rivelato intuizioni sorprendenti su come le cellule rispondono alla curvatura superficiale. Nello specifico, hanno studiato come le cellule rispondono alle superfici cilindriche, che sono comuni in biologia. Hanno scoperto che le cellule cambiano le configurazioni statiche delle loro forme e strutture interne.

"Pensiamo che le cellule facciano calcoli; le cellule percepiscono e rispondono alla curvatura sottostante, " afferma Kathleen Stebe della Penn's School of Engineering and Applied Science.

Ora, i ricercatori, guidato da Stebe e dal neolaureato in ingegneria Nathan Bade in collaborazione con Randall Kamien della School of Arts and Sciences e Richard Assoian della Perelman School of Medicine, hanno pubblicato uno studio di follow-up che Stebe paragona a "calc III" per le cellule, indagando come le cellule rispondono a geometrie più complesse. La ricerca, che potrebbe consentire nuovi strumenti in biologia e influenzare il modo in cui i medici trattano cose come le malattie vascolari, è stato pubblicato su Giornale Biofisico .

I ricercatori hanno creato una superficie diversa dai cilindri che chiamano "sfera con gonna". Come suggerisce il nome, la porzione superiore della superficie è sferica, ma, mentre si percorre la superficie su entrambi i lati, forma una gonna a forma di sella. A causa di ciò, la superficie ha due curvature di principio diverse da zero in ogni punto; la parte sferica ha quella che viene chiamata curvatura gaussiana positiva mentre la gonna ha curvatura gaussiana negativa.

"Abbiamo dato alle cellule questa piccola montagna davvero interessante, "Stebe dice, "e detto, Cosa farai con questa montagna liscia che ti dà queste diverse curvature? E si scopre che queste cellule sono davvero intelligenti. Non solo cambiano le loro forme e strutture interne, ma si muovono in modi drammaticamente diversi che aprono nuove domande su come si muovono le cellule".

Le cellule su superfici rigide formano fibre di stress, comprende motori di actina e miosina. Nello studio precedente, i ricercatori hanno scoperto che, sorprendentemente, su una superficie cilindrica le cellule effettivamente piegano alcune delle fibre di stress lungo la direzione di massima curvatura. Sebbene una popolazione di fibre di stress situata sopra il nucleo della cellula sia allineata lungo l'asse del cilindro, un altro sotto il nucleo avvolto intorno alla circonferenza del cilindro. Hanno anche scoperto che, manipolando il cyoscheletro delle cellule, potrebbero ricapitolare il modello di allineamento del citoscheletro che hanno visto in vivo.

In questo lavoro più recente, i ricercatori hanno scoperto che, ancora, la popolazione di fibre di stress sopra il nucleo è rimasta il più diritta possibile e poi sotto il nucleo una seconda popolazione si è avvolta nella direzione in cui sono più piegate. Proprio come nella ricerca precedente, le due popolazioni allineate lungo le due direzioni principali della superficie.

Per indagare su questo, Bade ha rivestito la sfera con la gonna di molecole per renderla aderente alle cellule e poi ha osservato come si comportavano le cellule quando migravano sulla superficie. I ricercatori hanno utilizzato un potente microscopio confocale che ha fornito informazioni tridimensionali sui sistemi.

I ricercatori sono stati in grado di trattare le fibre di stress, un componente del citoscheletro attivo all'interno delle cellule, in modo che diventino fluorescenti. Utilizzando un laser per raccogliere la luce da sezioni molto piccole di un campione, il microscopio confocale ha eliminato tutta la luce fuori fuoco. Ciò ha prodotto un'immagine ad alta risoluzione da un piano stretto che ha permesso ai ricercatori di vedere che, proprio come nello studio precedente, una popolazione ha trovato il modo di stare il più dritta possibile e l'altra ha trovato il modo di piegarsi il più possibile.

"Le fibre di stress apicale che volevano rimanere il più dritte possibile hanno trovato un modo per rimanere dritte formando corde simili a ponti sul divario concavo, "Bada dice, "Le fibre di stress basale si sono avvolte attorno alla caratteristica ed erano molto piegate".

I ricercatori hanno quindi studiato gli orientamenti delle due popolazioni di fibre di stress in funzione della curvatura della superficie. Hanno scoperto che le cellule che sperimentano la porzione debolmente curva della superficie non avevano alcun orientamento preferenziale per le loro fibre di stress apicale, ma quelli che affrontano la curvatura più impegnativa hanno orientato molto fortemente le loro fibre di stress apicale, che punta verso il centro della caratteristica. Questo ha aperto la questione di quale tipo di impatto ha su importanti comportamenti cellulari.

"Le cellule vedono questo tipo di confini e superfici nei nostri corpi, "Bade dice. "Ghiandole e vasi hanno i tipi di campi di curvatura che abbiamo catturato nella superficie della sfera con il mantello. Alcuni tipi di tumori hanno anche queste complesse curvature. La curvatura è ovunque. Non siamo fatti di aerei".

Secondo Bade, questa ricerca mostra che questi segnali geometrici hanno un profondo impatto sull'organizzazione del citoscheletro, che è importante per i comportamenti cellulari come la migrazione, come le cellule si muovono nel nostro corpo.

"Volevamo scoprire come la geometria della sfera con la gonna avrebbe influenzato la migrazione cellulare, se lo avesse fatto, " dice Bade. "Abbiamo visto che le cellule sarebbero migrate su per la gonna, ma, appena trovarono la calotta sferica, hanno effettivamente smesso di migrare in direzione radiale. Le cellule esplorano questo cappuccio, ma si rifiutano di migrare su di esso. Questa è effettivamente una regione di repulsione della curvatura verso la cellula. Le cellule in realtà cambiano la loro polarizzazione; puoi vederli ruotare di quasi 90 gradi e iniziare a migrare intorno alla funzione."

Bade e Stebe ritengono che la curvatura potrebbe effettivamente alterare la relazione tra la direzione in cui sono orientate le fibre di stress e la direzione di migrazione. Ciò suggerisce che le fibre di stress apicale, che di solito portano alla migrazione, diminuzione di importanza, e la popolazione basale prende il sopravvento.

"Sugli aerei, le fibre di stress apicale sono sempre incaricate di guidare, "Stebe dice, "ma all'improvviso le fibre dello stress basale afferrano la ruota. Questo lascia molte domande aperte. È uno di quei lavori davvero entusiasmanti perché i risultati sono così chiaramente evidenti nei dati, ma i meccanismi non sono affatto banali. È davvero eccitante che porre una domanda apparentemente ingenua possa trascinarti in uno spazio con grandi domande aperte e che la chiarezza dei dati, il significato dei risultati, il modo in cui la cellula ha assolutamente obbedito a questi segnali è stato mozzafiato per me".

Secondo Bade, comprendere la rigidità dei tessuti e il suo ruolo nel modificare i comportamenti cellulari ha avuto implicazioni drammatiche sull'assistenza sanitaria e sul modo in cui i ricercatori affrontano malattie come il cancro. Questo nuovo lavoro suggerisce che anche i campi di curvatura visibili all'occhio sono un segnale importante. Tenendo questo a mente mentre si osservano gli stati patologici, Bade dice, potrebbe influenzare il modo in cui le persone comprendono cose come le malattie vascolari.

Stebe afferma che le domande che questa ricerca apre potrebbero aprire la strada a nuovi strumenti in biologia.

"Nella scienza e nell'ingegneria, una volta che sappiamo di poter organizzare qualcosa, possiamo trovare un modo per usarlo, " dice. "Quindi per esempio qui, ci sono domande interessanti su come il nucleo interagisce con le entità circostanti all'interno di una cellula. E ora abbiamo due bei modi per confinare il nucleo:le fibre sotto stress sui cilindri, che stringono il nucleo, e sotto le corde che avvolgono il nucleo senza comprimerlo. Questi risultati sono interessanti per i colleghi ricercatori, chi può aiutarci ad approfondire la biologia per chiedere le implicazioni di questi effetti nell'espressione genica e nel destino cellulare".