I fisici dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera che studiano la formazione di pattern spontanei in un sistema modello che include proteine ​​mobili hanno scoperto fenomeni finora inosservati. Le loro scoperte offrono nuove intuizioni sui processi biologici.

Stormi di uccelli e sospensioni batteriche, ma anche i sistemi dinamici proteici filamentosi che compongono il citoscheletro delle cellule eucariotiche, avere qualcosa in comune. Dal punto di vista del fisico, questi sono tutti esempi di sostanza attiva, cioè sistemi i cui componenti sono in grado di convertire l'energia chimica in movimento attivo. Il modo in cui questi componenti si auto-organizzano in gruppi funzionali è uno dei problemi centrali della biologia cellulare, perché molti dei processi essenziali che avvengono nelle cellule si basano sull'auto-organizzazione di strutture molecolari complesse in schemi. In collaborazione con il professor Andreas Bausch dell'Università tecnica di Monaco di Baviera, I fisici LMU guidati dal professor Erwin Frey hanno studiato un sistema modello popolare per la materia attiva, e scoperto fenomeni mai osservati prima. Prima di tutto, i ricercatori hanno scoperto che modelli distinti possono emergere nelle stesse condizioni di partenza e, per di più, questi stati ordinati possono coesistere dinamicamente tra loro. In secondo luogo, sottili fluttuazioni a livello microscopico non muoiono. Possono invece avere conseguenze significative per l'intero sistema a livello macroscopico. Il nuovo studio appare sulla rivista Scienza .

Frey e i suoi colleghi hanno utilizzato un test di motilità standard come modello. In questo sistema, le proteine ​​motorie della miosina sono attaccate a un substrato per formare una sorta di tappeto. Quindi viene aggiunta una soluzione contenente polimeri filamentosi della proteina actina. In presenza di una fonte di energia chimica (ATP), i filamenti si legano alle proteine ​​motorie e sono attivamente trasportati all'interno dell'array. "In condizioni standard, i filamenti di actina si muovono in ammassi ondulati, "dice Lorenz Huber, uno studente di dottorato nel gruppo di Frey e, insieme a Ryo Suzuki e Timo Krüger, primo autore congiunto dell'articolo. Gli esperimenti eseguiti nel laboratorio di Bausch hanno mostrato, però, che alterazioni minori nelle interazioni tra le proteine ​​hanno un effetto inaspettato su questo modello. L'aggiunta di una piccola quantità del polimero organico polietilenglicole al sistema riduce efficacemente il volume disponibile per i filamenti di actina. In queste condizioni, non solo la frequenza, ma anche il tipo di interazioni osservate cambia notevolmente, e i fronti d'onda che avanzano si trasformano in forme filiformi che crescono in lunghezza, piuttosto come le tracce delle formiche. Ciò dimostra che anche minori, modifiche locali possono alterare drasticamente il comportamento del sistema a livello macroscopico. "Normalmente, si presume che i piccoli dettagli diventino insignificanti su scale più grandi - ma qui, piccole differenze sono progressivamente amplificate e hanno un impatto sempre maggiore all'aumentare della scala del sistema, "dice Huber.

I ricercatori hanno continuato a sviluppare un modello teorico che cattura i movimenti dei filamenti e riproduce le osservazioni sperimentali. Le simulazioni basate su questo modello hanno anche rivelato una regione dello spazio dei parametri in cui emergono contemporaneamente sia le strutture ondulate che le scie di formiche e possono coesistere stabilmente l'una con l'altra. "Questa emergenza di bistabilità indica che abbiamo identificato una nuova fase della materia, " dice Frey. In ulteriori esperimenti di laboratorio, il team è stato infatti in grado di generare entrambi gli stati di organizzazione contemporaneamente. "È davvero affascinante da guardare. Le onde polarizzate lavano le scie delle formiche e le cancellano virtualmente, lasciandosi dietro una specie di morena, che serve a seminare la formazione di un nuovo formicaio. Quindi il sistema mostra un'interazione molto interessante e dinamica tra i due tipi di pattern, "dice Huber.

Questi risultati indicano che i sistemi di materia attiva hanno una capacità unica di dare origine a diversi tipi di modelli dinamici in condizioni di partenza identiche. Secondo gli autori dello studio, questa intuizione ha profonde implicazioni per vari campi di ricerca, e potrebbe portare a nuovi modi di comprendere i processi biologici. "Ispira a riflettere su come un sistema biologico può generare simultaneamente diversi tipi di ordine utilizzando un determinato insieme di componenti, "Conclude Huber.

Questo articolo sarà pubblicato online dalla rivista Scienza di giovedì, 28 giugno, 2018.