Quando viene fecondato un ovulo di quasi tutte le specie che si riproducono sessualmente, innesca una serie di onde che si increspano sulla superficie dell'uovo. Queste onde sono prodotte da miliardi di proteine ​​attivate che attraversano la membrana dell'uovo come flussi di minuscole sentinelle scavatrici, segnalando all'uovo di iniziare a dividersi, pieghevole, e dividendo di nuovo, formare i primi semi cellulari di un organismo.

Ora gli scienziati del MIT hanno esaminato in dettaglio il modello di queste onde, prodotto sulla superficie delle uova di stelle marine. Queste uova sono grandi e quindi facili da osservare, e gli scienziati considerano le uova di stelle marine rappresentative delle uova di molte altre specie animali.

In ogni uovo, il team ha introdotto una proteina per imitare l'inizio della fecondazione, e registrò lo schema delle onde che in risposta si incresparono sulle loro superfici. Hanno osservato che ogni onda emergeva in uno schema a spirale, e che più spirali vorticavano alla volta sulla superficie di un uovo. Alcune spirali apparvero spontaneamente e vorticarono via in direzioni opposte, mentre altri si sono scontrati frontalmente e sono immediatamente scomparsi.

Il comportamento di queste onde vorticose, i ricercatori hanno realizzato, è simile alle onde generate in altri, sistemi apparentemente non correlati, come i vortici nei fluidi quantistici, le circolazioni nell'atmosfera e negli oceani, e i segnali elettrici che si propagano attraverso il cuore e il cervello.

"Non si sapeva molto sulla dinamica di queste onde di superficie nelle uova, e dopo aver iniziato ad analizzare e modellare queste onde, abbiamo scoperto che questi stessi schemi si presentano in tutti questi altri sistemi, "dice il fisico Nikta Fakhri, il Thomas D. e Virginia W. Cabot Assistant Professor al MIT. "È una manifestazione di questo modello d'onda molto universale".

"Apre una prospettiva completamente nuova, " aggiunge Jörn Dunkel, professore associato di matematica al MIT. "Puoi prendere in prestito molte tecniche che le persone hanno sviluppato per studiare modelli simili in altri sistemi, per imparare qualcosa sulla biologia."

Fakhri e Dunkel hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Fisica della natura . I loro coautori sono Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller, e Melis Tekant del MIT.

Trovare il proprio centro

Precedenti studi hanno dimostrato che la fecondazione di un uovo attiva immediatamente Rho-GTP, una proteina all'interno dell'uovo che normalmente fluttua nel citoplasma della cellula in uno stato inattivo. Una volta attivato, miliardi di proteine ​​salgono dal pantano del citoplasma per attaccarsi alla membrana dell'uovo, serpeggiando lungo il muro in onde.

"Immagina di avere un acquario molto sporco, e una volta che un pesce nuota vicino al bicchiere, Puoi vederlo, " spiega Dunkel. "In modo simile, le proteine ​​sono da qualche parte all'interno della cellula, e quando si attivano, si attaccano alla membrana, e inizi a vederli muoversi."

Fakhri dice che le onde di proteine ​​che si muovono attraverso la membrana dell'uovo servono, in parte, organizzare la divisione cellulare attorno al nucleo della cellula.

"L'uovo è una cellula enorme, e queste proteine ​​devono lavorare insieme per trovare il suo centro, in modo che la cellula sappia dove dividersi e piegarsi, molte volte, formare un organismo, " Fakhri dice. "Senza queste proteine ​​che fanno onde, non ci sarebbe divisione cellulare."

Nel loro studio, il team si è concentrato sulla forma attiva di Rho-GTP e sul modello di onde prodotte sulla superficie di un uovo quando hanno alterato la concentrazione della proteina.

Per i loro esperimenti, hanno ottenuto circa 10 uova dalle ovaie delle stelle marine attraverso una procedura chirurgica minimamente invasiva. Hanno introdotto un ormone per stimolare la maturazione, e ha anche iniettato marcatori fluorescenti da attaccare a qualsiasi forma attiva di Rho-GTP che si è alzata in risposta. Hanno quindi osservato ogni uovo attraverso un microscopio confocale e hanno osservato miliardi di proteine ​​attivate e increspate sulla superficie dell'uovo in risposta a concentrazioni variabili della proteina ormonale artificiale.

"In questo modo, abbiamo creato un caleidoscopio di diversi modelli e ne abbiamo esaminato le dinamiche risultanti, "dice Fakhri.

Pista dell'uragano

I ricercatori hanno prima assemblato video in bianco e nero di ciascun uovo, mostrando le onde luminose che hanno viaggiato sulla sua superficie. Più luminosa è una regione in un'onda, maggiore è la concentrazione di Rho-GTP in quella particolare regione. Per ogni video, hanno confrontato la luminosità, o concentrazione di proteine ​​da pixel a pixel, e ha utilizzato questi confronti per generare un'animazione degli stessi modelli d'onda.

Dai loro video, il team ha osservato che le onde sembravano oscillare verso l'esterno come minuscole, spirali simili a uragani. I ricercatori hanno tracciato l'origine di ogni onda al centro di ogni spirale, che chiamano "difetto topologico". Per curiosità, hanno seguito da soli il movimento di questi difetti. Hanno fatto alcune analisi statistiche per determinare la velocità con cui alcuni difetti si muovevano sulla superficie di un uovo, e quanto spesso, e in quali configurazioni sono spuntate le spirali, si è scontrato, e scomparso.

In una svolta sorprendente, hanno scoperto che i loro risultati statistici, e il comportamento delle onde sulla superficie di un uovo, erano lo stesso del comportamento delle onde in altri sistemi più grandi e apparentemente non correlati.

"Quando si guardano le statistiche di questi difetti, è essenzialmente lo stesso dei vortici in un fluido, o onde nel cervello, o sistemi su larga scala, "Dunkel dice. "È lo stesso fenomeno universale, appena ridimensionato al livello di una cella."

I ricercatori sono particolarmente interessati alla somiglianza delle onde con le idee nell'informatica quantistica. Proprio come lo schema delle onde in un uovo trasmette segnali specifici, in questo caso di divisione cellulare, l'informatica quantistica è un campo che mira a manipolare gli atomi in un fluido, in schemi precisi, per tradurre informazioni ed eseguire calcoli.

"Forse ora possiamo prendere in prestito idee dai fluidi quantistici, costruire minicomputer da cellule biologiche, " Fakhri dice. "Ci aspettiamo alcune differenze, ma cercheremo di esplorare ulteriormente [le onde di segnalazione biologica] come strumento di calcolo".