Alcune specie di Euglenidi, una famiglia diversificata di organismi acquatici unicellulari, può eseguire una grande ampiezza, deformazioni del corpo elegantemente coordinate. Sebbene questo comportamento sia noto da secoli, la sua funzione è ancora molto dibattuta.

Ricercatori della SISSA, l'Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Applicata (OGS), La Scuola Superiore Sant'Anna e l'Universitat Politècnica de Catalunya hanno recentemente condotto uno studio sulla motilità di Euglena Gracilis, un Euglenide, in particolare nella sua risposta alla reclusione. Nel loro studio, pubblicato in Fisica della natura , hanno esaminato le risposte del nuoto Euglena gracilis in ambienti di affollamento controllato e geometria.

"I movimenti coordinati di grande ampiezza delle cellule di Euglena, chiamato metabolismo, sono stati descritti per secoli, e ancora oggi affascinano i microbiologi, biofisici e microscopisti dilettanti, "Marino Arroyo, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Per quello che ci risulta, nessun altro organismo unicellulare può muoversi con tale eleganza e coordinazione. Ancora, come e perché lo fanno è un mistero. La curiosità è stata ciò che ci ha spinto a studiare la motilità di Euglena".

Le deformazioni del corpo di grande ampiezza e coordinate osservate in Euglena sono tipicamente indicate come "movimento eugleneide", ' o 'metabolia.' Il metabolismo varia notevolmente tra le specie e talvolta anche all'interno di una specie, che vanno da una curva o torsione arrotondata e delicata a onde peristaltiche periodiche e altamente concertate che viaggiano lungo il corpo cellulare.

"Tra i biofisici, si pensava che il metabolismo fosse un modo per nuotare in un fluido, dove vivono queste cellule, " ha detto Arroyo. "Tuttavia, i protistologi non sono convinti di questa funzione per il metabolismo, poiché Euglena sa nuotare velocissima battendo il flagello, come molti altri tipi di cellule. Anziché, l'opinione prevalente è che il metabolismo sia un vestigio senza funzione "ereditato" da antenati che usavano deformazioni del corpo cellulare per inghiottire grandi prede. Guardare le cellule eseguire una danza così bella e coordinata, non credevamo che non servisse a niente. Il nostro studio è iniziato come uno sforzo per corroborare una tale sensazione non scientifica".

Le colture diluite di cellule di Euglena generalmente nuotano usando il loro flagello e senza cambiare la loro forma corporea. Arroyo e i suoi colleghi, però, osservato che col passare del tempo e il fluido sotto il microscopio evaporato, la loro coltura divenne più affollata e le cellule iniziarono a sviluppare il metabolismo.

"Ispirato da queste osservazioni e dai video amatoriali di YouTube, abbiamo ipotizzato che le deformazioni cellulari potessero essere innescate dal contatto con altre cellule o dai confini in un ambiente affollato, e che in queste condizioni, metaboly potrebbe essere utile per strisciare, piuttosto che nuotare, "Antonio De Simone, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Confermare questa ipotesi è stato straordinariamente facile. Non appena abbiamo premuto leggermente le celle tra due superfici di vetro, o li spinse in sottili capillari, hanno iniziato a svolgere sistematicamente il metabolismo, che ha portato alla scansione più veloce di qualsiasi tipo di cellula, per quanto ne sappiamo, "aggiunse Giovanni Noselli, il primo autore dello studio.

Una volta terminata la verifica di questa ipotesi, i ricercatori hanno iniziato a confrontare il comportamento di gattonare che hanno osservato in Euglena con quello delle cellule animali, per i quali sono attualmente disponibili un maggior numero di studi. Studi precedenti hanno osservato che le cellule animali che strisciano in un tubo sottile tendono a spingere contro le sue pareti per avanzare e superare la resistenza del fluido nel tubo.

"L'abbiamo trovato, grazie alle loro deformazioni peristaltiche, Euglena può spingere sia sulle pareti che sul fluido per andare avanti, facendo del metabolismo un modo straordinariamente robusto di locomozione confinata, " Ha detto De Simone. "Possono effettivamente muoversi spostando pochissimo fluido in una modalità di propulsione "furtiva", e non possono essere fermati anche se la resistenza idraulica nel capillare è aumentata sostanzialmente."

Nei loro esperimenti, Arroyo, De Simone, Noselli e il loro collega Alfred Beran hanno notato che le cellule di Euglena erano in grado di adattare la loro andatura a vari gradi di confinamento. Per eseguire questo comportamento, le cellule potrebbero utilizzare un sistema sensoriale per rilevare l'ambiente circostante e una qualche forma di elaborazione delle informazioni interne per adattare la loro attività in base al grado di confinamento.

I ricercatori hanno trovato questa spiegazione sconcertante, però, in particolare visto che Euglena sono cellule singole senza sistema nervoso. Per capire meglio come una singola cellula di Euglena può controllare una modalità di locomozione così adattabile e robusta, Arroyo e i suoi colleghi hanno modellato computazionalmente l'apparato mobile delle cellule di Euglena, che è essenzialmente un involucro cellulare striato.

"Ci chiedevamo se la loro busta attiva, chiamata pellicola, responsabile delle deformazioni cellulari, si adatterebbe meccanicamente alle diverse condizioni meccaniche, " Arroyo ha detto. "Per esaminare questo, abbiamo sviluppato un modello computazionale che mostra che la conformità dei materiali e dei motori molecolari che compongono l'involucro attivo di Euglena potrebbe spiegare questa adattabilità, che in robotica si chiama intelligenza meccanica o incarnata."

Arroyo e i suoi colleghi hanno raccolto affascinanti osservazioni sulle deformazioni del corpo di alcuni Euglenidi, suggerendo che questo comportamento potrebbe, in alcuni casi, essere innescato dalla reclusione. Oltre a dimostrare una funzione del metabolismo, il loro studio ha stabilito una nuova categoria di crawler cellulari, che sono particolarmente veloci, robusto e adattabile.

"Se strisciare per via metabolica è così vantaggioso, ci si può chiedere perché non sia conservata tra le altre specie, " ha detto Arroyo. "La risposta è che richiede un macchinario intricato, la pellicola, che è un involucro striato formato da nastri elastici collegati da motori molecolari. Questa superficie selettivamente deformabile si trova da qualche parte tra la parete rigida delle cellule vegetali e l'involucro fluido delle cellule animali. Oltre la biologia, pensiamo che i principi fisici/geometrici sottostanti che consentono i cambiamenti di forma di questo involucro possano essere applicati a sistemi ingegnerizzati artificiali, per esempio. nella robotica morbida."

Il modello computazionale sviluppato da Arroyo e dai suoi colleghi potrebbe finalmente far luce sulla funzione dei movimenti euglenoidi ampiamente documentati. I loro risultati suggeriscono che l'adattabilità dell'andatura di questi organismi non richiede un feedback meccanosensibile specifico, ma piuttosto potrebbe essere spiegato dall'autoregolazione meccanica di un sistema motorio elastico ed esteso.

Nel loro recente studio, i ricercatori hanno identificato con successo una funzione ei principi operativi alla base della deformazione corporea adattabile delle cellule di Euglena. Stanno ora pianificando di indagare ulteriormente sui meccanismi cellulari attraverso i quali viene attivato il metabolismo e attraverso i quali si propagano le deformazioni cellulari.

"Abbiamo in programma di esaminare il metabolismo tra diverse specie di Euglena, " Ha detto DeSimone. "Le osservazioni preliminari rivelano vari sapori del metabolismo. Stiamo anche lavorando alla costruzione di materiali e dispositivi artificiali ispirati all'involucro attivo e deformabile delle cellule di Euglena".

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