Flotte di macchine microscopiche lavorano duramente nelle vostre cellule, svolgere compiti biologici critici e mantenerti in vita. Combinando teoria ed esperimento, ricercatori hanno scoperto il modo sorprendente in cui una di queste macchine, chiamato fuso, evita rallentamenti:congestione.

Il fuso divide a metà i cromosomi durante la divisione cellulare, assicurando che entrambe le cellule della prole contengano un set completo di materiale genetico. Il fuso è composto da decine di migliaia di rigidi, tubi cavi chiamati microtubuli collegati da motori biologici.

I microtubuli vengono spinti in avanti solo quando sono collegati a un vicino puntato nella direzione opposta. Osservazioni precedenti, però, ha mostrato microtubuli che girano a piena velocità anche quando sono collegati solo a vicini rivolti nella stessa direzione. In un nuovo articolo pubblicato il 2 settembre in Fisica della natura , i ricercatori forniscono una risposta a questo enigma. I microtubuli sono così aggrovigliati l'uno con l'altro che anche quelli non attivamente lanciati in avanti vengono trascinati a tutta velocità dalla folla.

"È come un passaggio pedonale di New York City, ", afferma l'autore principale dello studio Sebastian Fürthauer, ricercatore presso il Center for Computational Biology (CCB) del Flatiron Institute di New York City. "Le persone che percorrono strade diverse sono tutte mescolate insieme, eppure tutti sono in grado di muoversi a tutta velocità e scorrere dolcemente l'uno accanto all'altro".

I risultati aiuteranno gli scienziati a comprendere meglio il meccanismo cellulare che segrega i cromosomi durante la divisione cellulare e perché questo processo a volte va male. Se un mandrino fa il suo lavoro in modo errato, può introdurre errori come cromosomi mancanti o extra che possono portare a complicazioni come infertilità e cancro, dice Furthauer.

Fürthauer e il direttore della CCB Michael Shelley, entrambi matematici applicati, ha lavorato al progetto insieme a un team interdisciplinare di biologi sperimentali e fisici dell'Università di Harvard, il Massachusetts Institute of Technology, Università dell'Indiana, e l'Università della California, Santa Barbara.

Uno degli obiettivi generali della biofisica è collegare l'attività dei componenti su piccola scala alla dinamica su larga scala di cellule e organismi. Le proprietà dei componenti principali del mandrino sono relativamente ben studiate. I microtubuli sono lunghi, aste rigide in polimero simili a cannucce, ciascuno con un'estremità "meno" e una "più". I motori molecolari si agganciano e si muovono lungo i microtubuli usando un paio di "piedi" molecolari. motori Kinesin, ad esempio, avere due paia di piedi, uno alle due estremità. Le molecole di chinesina possono legarsi a due diversi microtubuli, con ogni coppia di piedi che marcia dall'estremità meno all'estremità più di ciascun microtubulo.

Se le estremità più e meno di entrambi i microtubuli sono allineate, le due paia di piedi camminano nella stessa direzione ei microtubuli non si muovono l'uno rispetto all'altro. Se i microtubuli sono anti-allineati, i piedi si muovono in direzioni opposte, facendo scorrere i microtubuli l'uno sull'altro. Il movimento collettivo di tutti i microtubuli determina la crescita e la forma del fuso.

Gli studi precedenti si concentravano principalmente su situazioni in cui i motori erano scarsi. Gli scienziati avevano supposto che questa fosse una rappresentazione accurata di ciò che accade nelle cellule reali. In uno scenario del genere, il movimento di un microtubulo dipenderebbe dall'orientamento dei suoi vicini. I microtubuli allineati con i loro vicini rimarrebbero fermi mentre quelli che sfidavano la folla si avvicinavano.

Mandrini reali, però, non mostrare questo comportamento previsto. I microtubuli circondati da vicini rivolti nella stessa direzione si muovono ancora a piena velocità. Quindi cosa li spinge in avanti?

Fürthauer e colleghi hanno studiato come i microtubuli si muoverebbero collettivamente se il sistema fosse pieno di molti motori, con conseguente molte connessioni tra i microtubuli. Hanno sviluppato una teoria matematica di come si sviluppano le sollecitazioni meccaniche nel collettivo quando i microtubuli vengono spinti e tirati l'uno contro l'altro dai numerosi motori.

La loro teoria prevede che i microtubuli si allineino, con ogni microtubulo rivolto in una delle due direzioni opposte. Dove si mescolano microtubuli di orientamento opposto, vengono spinti in avanti come previsto. Microtubuli altrove, la teoria afferma, sono così impigliati con i loro vicini che anche loro sono trascinati per il viaggio. Ogni microtubulo, perciò, si muove esattamente alla velocità dei motori a piedi, indipendentemente dal suo posto nella folla.

Gli esperimenti condotti dai ricercatori utilizzando microtubuli e abbondanti motori chinesina hanno soddisfatto queste previsioni. Inoltre, la teoria e gli esperimenti corrispondevano ai fusi del mondo reale:nelle uova di rane artigliate africane, i microtubuli nei fusi si muovono all'incirca alla stessa velocità con cui si sa che camminano i motori che li collegano.

Il comportamento del fuso della rana è "molto suggestivo che la biologia attuale viva nel regime che vediamo nei nostri esperimenti, " dice Fürthauer. "Con questa nuova comprensione, possiamo ora chiederci:come si costruisce un fuso? Possiamo ricostruire questa complessa macchina biologica in una simulazione al computer, o anche in provetta?" Lui e i suoi colleghi sperano che si stiano avvicinando.