La formazione di modelli molecolari auto-organizzati nelle cellule è una componente critica di molti processi biologici. I ricercatori della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco di Baviera hanno proposto una nuova teoria per spiegare come emergono tali modelli in sistemi naturali complessi.

Molti processi biologici dipendono in modo cruciale dalla formazione di distribuzioni ordinate di molecole specifiche all'interno delle cellule. Questi modelli sono strutture auto-organizzanti che evolvono in modo prevedibile nel tempo e nello spazio. Forse l'esempio più noto di patterning proteico intracellulare è il meccanismo molecolare che orchestra la regolare segregazione di set cromosomici completi alle due cellule figlie durante la divisione cellulare.

La teoria classica della formazione dei pattern si basa su sistemi chimici vicini all'equilibrio. Ma tali stati si incontrano raramente nel fisico, sistemi chimici o biologici in cui si osserva tipicamente un patterning auto-organizzato. Di regola, questi sistemi risultano essere molto lontani dall'equilibrio, uno stato mantenuto dall'apporto di energia. I meccanismi che creano e stabilizzano le strutture ordinate in queste condizioni sono poco conosciuti. I fisici della LMU Erwin Frey e Jacob Halatek hanno ora introdotto un nuovo quadro teorico che può spiegare la formazione di schemi nei sistemi di non equilibrio. La nuova teoria è descritta nella rivista Fisica della natura .

Frey e Halatek hanno concentrato la loro attenzione sui sistemi dinamici guidati da interazioni che conservano la massa, ovvero, reazioni chimiche. Nei sistemi biologici, la formazione del pattern si manifesta principalmente nella ridistribuzione dinamica di proteine ​​specifiche. In molti di questi sistemi, la dinamica dipende da alterazioni nella conformazione delle molecole proteiche che consentono loro di passare da uno stato legato alla membrana ad uno stato liberamente diffondente nella fase solubile della cellula. "Ciò che osserviamo come pattern proteico è solitamente una disposizione spaziale specifica, una densità non uniforme, di una proteina, su una superficie di membrana, "dice Halatek.

La formazione del pattern deriva dal fatto che la distribuzione di una data proteina tra la membrana e la fase citosolica è in continua evoluzione, anche se la sua concentrazione totale nella cellula rimane costante. "La dinamica della formazione del modello in un sistema così complesso ed esteso come una cellula biologica è, però, molto difficile da catturare, anche nelle simulazioni, " dice Halatek. "Ecco perché abbiamo diviso i dati utilizzati nelle nostre simulazioni di formazione di modelli in grandi sistemi in un reticolo di compartimenti molto più piccoli, che sono accoppiati tra loro."

La densità locale delle proteine ​​​​di membrana e citosoliche determina l'equilibrio chimico in ciascun compartimento, in modo tale che i cambiamenti nel rapporto tra le forme di proteine ​​​​citosoliche e quelle legate alla membrana determinano uno spostamento dell'equilibrio. Halatek e Frey hanno mostrato che la formazione di pattern è una conseguenza di questi cambiamenti negli equilibri chimici locali. "La ridistribuzione delle proteine ​​è guidata dalla diffusione. La diffusione da sola alla fine porterebbe a una distribuzione omogenea di tutte le specie proteiche in tutto il volume cellulare, " dice Halatek. È quindi essenziale per la formazione del modello che venga mantenuto un gradiente di diffusione nel sistema, in modo che siano sempre possibili ridistribuzioni delle proteine. Per questa ragione, la formazione del pattern nei sistemi biologici dipende da reazioni enzimatiche che alterano le conformazioni delle proteine ​​interessate, per consentire loro di legarsi alla membrana, ad esempio."

I due fisici hanno applicato la loro nuova teoria al sistema Min, un insieme di tre proteine ​​trovate nel batterio a forma di bastoncino Escherichia coli, che interagiscono per generare un pattern auto-organizzante che determina il piano di scissione durante la divisione cellulare. Hanno osservato un'altra conseguenza della destabilizzazione dinamica degli equilibri locali dovuta al trasporto di massa:l'emergere della turbolenza chimica. "Queste turbolenze, però, non comportano la completa perdita di ordine che le teorie classiche suggeriscono, " dice Frey. "Nel nostro quadro concettuale, avviene esattamente il contrario. Quando destabilizziamo il sistema, osserviamo che la turbolenza si sviluppa relativamente rapidamente. Ma dopo ulteriori perturbazioni, il sistema subisce una transizione in cui è lontano dall'equilibrio, ma tuttavia chiaramente ordinato e non turbolento." Frey e Halatek paragonano questo tipo di comportamento all'effetto di un pacemaker cardiaco, che contrasta le aritmie applicando impulsi elettrici per ripristinare il normale schema di conduzione degli impulsi. "Il nostro modello spiega come i 'pacemaker' possono emergere dall'auto-organizzazione in sistemi di non equilibrio, " dice Halatek. "In altre parole, possiamo fornire una risposta chiara alla domanda:quale parte del 'sé' è responsabile dell' 'organizzazione?' Tale ruolo è svolto dalle modalità instabili ("modalità di controllo") che alterano la posizione e la stabilità degli equilibri locali che guidano l'evoluzione temporale del sistema."