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    I ricercatori svelano la locomozione 3-D del nematode C. elegans

    Jerzy Blawzdziewicz, professoressa, presidente associato e direttore degli studi universitari presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, e Siva Vanapalli, professore associato e membro della facoltà di Bill Sanderson presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Edward E. Whitacre Jr. College of Engineering della Texas Tech University, avevano il loro documento di ricerca, "Le manovre di rollio sono essenziali per il riorientamento attivo di Caenorhabditis elegans nei media 3D, " recentemente pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

    C. elegans, un ascaridi di un millimetro, è un potente organismo modello utilizzato nelle indagini sui processi biologici fondamentali conservati tra le specie. I ricercatori di tutto il mondo misurano il comportamento locomotorio di questo nematode per ottenere informazioni su diverse aree di studio come mutazioni genetiche, biologia muscolare, controllo neurale del movimento e valutazione della nutrizione, esercizio fisico e gli effetti dei farmaci.

    La maggior parte dei risultati della ricerca che utilizzano le letture locomotorie si basa su descrizioni bidimensionali (2-D) del movimento dei nematodi. Nei laboratori, C. elegans viene solitamente coltivato su una superficie di gel di agar, e i modelli 2-D forniscono molte informazioni utili. Però, alcuni dei comportamenti del verme, come scavare e nuotare, richiedono un approccio investigativo tridimensionale (3D).

    Inoltre, nel suo habitat naturale, che è umido, materia organica in decomposizione, il nematode si muove in un complesso ambiente 3-D. Ancora, finora non ci sono stati studi quantitativi completi sull'andatura 3-D del verme.

    Nella loro carta, Blawzdziewicz, Vanapalli e il loro team hanno identificato e quantificato le manovre chiave che il nematode utilizza per esplorare lo spazio 3-D. Il loro sforzo di ricerca collaborativa si è basato sui contributi vitali di due dottorandi in ingegneria meccanica, Alejandro Bilbao e Amar Patel, che ha ottenuto risultati teorici, e da un ricercatore post-dottorato in ingegneria chimica, Mizanur Rahman, che ha condotto gli esperimenti.

    "Stiamo osservando il modo in cui questo minuscolo animale si muove nel suo ambiente e che tipo di manovre sta eseguendo, " Blawzdziewicz ha detto. "In 2-D, il nematode spinge il suo corpo usando ondulazioni laterali e gira aumentando momentaneamente l'ampiezza dell'ondulazione su un lato. Abbiamo scoperto che, per riorientarsi in 3-D, il nematode esegue una manovra di rollio, che ricorda il rollio acrobatico di un aeroplano. L'animale ruota in modo efficiente attorno all'asse della sua traiettoria (eseguendo la parte 3D del suo movimento), quindi riprende le virate 2-D in un nuovo piano ondulatorio. Abbiamo registrato questo nuovo modello comportamentale e analizzato teoricamente la sua efficienza, frequenza e significato”.

    Il genoma di C. elegans è stato il primo completamente sequenziato, e il sistema neurale del nematode è completamente mappato. Questo aiuta negli studi di ricerca perché ora è il modello animale di riferimento per varie malattie.

    Simulazione della locomozione 3D di un nematode nuotatore. Sono mostrate viste isometriche e stereoscopiche di un nematode nuotatore che esegue una sequenza di virate planari e manovre di rollio. Credito:Texas Tech University

    Il breve periodo di gestazione e invecchiamento di C. elegans è un altro vantaggio dell'utilizzo dell'animale.

    "È un verme trasparente, così puoi vedere attraverso di essa, che ha i suoi vantaggi, e ogni animale depone circa 300 uova, "Vanapalli ha detto. "Ogni animale vive per circa tre settimane, quindi in quel breve tempo, puoi monitorare un gran numero di nematodi. Se pensi agli studi sull'invecchiamento, che è una delle aree a cui io e Jerzy siamo interessati, un obiettivo importante è capire quali mutazioni genetiche e quali farmaci possono migliorare la salute neuromuscolare con l'invecchiamento dell'animale. Un topo vive per due anni, quindi è un tempo molto lungo da monitorare, un esperimento molto lungo. Ma qui, sono tre settimane.

    "Intendiamo utilizzare la nostra analisi della locomozione 3-D per caratterizzare la salute dei sistemi nervoso e muscolare nei vermi che invecchiano. L'approccio 3-D è uno strumento più sensibile rispetto alla valutazione della locomozione di C. elegans in 2-D".

    Le indagini del gruppo di ricerca Texas Tech pongono già un nuovo, questione importante e aperta su come le posture del corpo 3D coinvolte nelle manovre di rollio vengono attuate da, essenzialmente, una rete bidimensionale di connessioni neurali.

    C. elegans ha quattro file di muscoli lungo il suo corpo, quindi l'azionamento in qualsiasi direzione dovrebbe essere possibile. Però, i motoneuroni nella maggior parte del corpo hanno connessioni simmetriche ai muscoli ventrali o dorsali, e a causa di queste connessioni simmetriche, si pensa generalmente che C. elegans non sia in grado di attuare movimenti 3D, tranne nel segmento della testa del suo corpo.

    "La nostra analisi mostra che l'intero corpo del nematode è capace di movimenti 3D, "Blawzdziewicz ha detto. "Sorge quindi la domanda su come il motoneurone collegato a due muscoli possa inviare segnali diversi per suscitare una risposta asimmetrica in questi muscoli".

    La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, il National Institutes of Health e la NASA.

    Di seguito è mostrata una delle simulazioni che dimostrano la geometria e la meccanica delle virate 2-D e delle manovre di rollio 3-D nel nuoto.

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