Molte cellule del nostro corpo sono in movimento e in qualche modo sembrano "sapere" dove andare. Ma come apprendono la posizione della loro destinazione? Questa domanda è la chiave per comprendere fenomeni come il rinnovamento delle cellule del nostro corpo, la migrazione delle cellule tumorali, e soprattutto come guariscono le ferite. Edouard Hannezo e il suo gruppo presso l'Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) in collaborazione con Tsuyoshi Hirashima e il suo studente all'Università di Kyoto propongono un nuovo modello di trasferimento delle informazioni in cui le cellule utilizzano onde che viaggiano a lunga distanza in modo auto-organizzato chiudere una ferita. Questo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Fisica della natura .

I ricercatori hanno costruito un modello matematico per descrivere le interazioni all'interno di uno strato di cellule su un substrato, simile a uno strato di pelle. Queste cellule contengono segnalatori chimici, proteine, che consentono loro di percepire altre cellule intorno a loro, quindi se sono spinti o tirati, e controllare il proprio movimento. Quello che gli scienziati hanno scoperto è che l'intricata interazione del movimento cellulare, rilevamento dell'ambiente, e gli stati di attivazione proteica all'interno delle cellule si combinano per creare onde di viaggio meccaniche e chimiche accoppiate in cui sono codificate le informazioni direzionali.

Anelli di retroazione

L'onda meccanica appare come regioni di cellule più dense e più rade che si alternano nello spazio e nel tempo. L'onda chimica appare come attività proteica ed è innescata dal movimento cellulare e dal feedback meccanico. La chimica delle cellule, a sua volta, guida i cambiamenti della forma cellulare e il movimento chiudendo un ciclo di feedback con la meccanica cellulare. In questo sistema accoppiato queste onde meccaniche e chimiche sorgono spontaneamente a causa del feedback e dell'amplificazione.

In un normale strato di cellule non ferito, queste onde si propagano senza una direzione preferita, ma quando si introduce una ferita artificiale da un lato, le onde si riorientano per propagarsi esclusivamente lontano dalla ferita. I ricercatori hanno quindi ipotizzato che le onde potessero essere uno strumento di comunicazione, permettendo alle cellule molto lontane dalla ferita - e quindi non direttamente "di vederla" - di percepire da che parte andare.

Leggere le onde

Un'onda di densità fa sì che i vicini di una cellula la spingano e la tirino lungo la direzione in cui si muove l'onda. Poiché le forze esercitate sulla cellula sono uguali e opposte tra le creste e le depressioni di ciascuna onda, il risultato è che la cellula si muove solo per piccole distanze avanti e indietro senza alcun movimento netto. In effetti, la cellula non ha modo di conoscere la direzione da cui proviene l'onda e quindi non ha informazioni sulla posizione della ferita.

È qui che entra in gioco la seconda ondata di attività proteica. Colpisce la cellula leggermente dopo l'onda di densità a causa del ritardo necessario per l'attivazione delle proteine. E poiché l'attività delle proteine ​​controlla la velocità con cui le cellule si muovono, un ritardo tra le due onde consente alle cellule di muoversi rapidamente quando vengono tirate nella direzione della ferita, e lentamente quando viene allontanato. In questo modo, le cellule possono rompere la simmetria e iniziare a muoversi nella direzione preferita verso la ferita.

Esperimenti fuori equilibrio

I ricercatori dell'Università di Kyoto hanno osservato questo comportamento fuori equilibrio della guarigione delle ferite durante esperimenti in vitro con cellule reali su un substrato. Hanno usato una nuova tecnica di microscopia per consentire loro di misurare l'attività proteica all'interno di ogni cellula:la proteina è stata modificata in modo che si illuminasse quando attivata, rivelando così onde di attivazione proteica che si propagano attraverso lo strato cellulare. I ricercatori sono stati in grado di prevedere quantitativamente i modelli d'onda, che poi hanno anche osservato sperimentalmente. Più sorprendentemente, hanno anche scoperto che il ritardo tra le due onde era vicino all'ottimale teoricamente previsto per consentire alle cellule di estrarre la massima informazione dalle onde.

Questo meccanismo di auto-organizzazione è notevole per consentire una comunicazione di direzione robusta e spontanea su grandi distanze all'interno degli strati cellulari. Dimostra un modo in cui il comportamento coordinato può sorgere nei nostri corpi aiutandoli a guarire e crescere.