Le cellule uovo sono tra le cellule più grandi del regno animale. Se mosso solo dalle spinte casuali delle molecole d'acqua, una proteina potrebbe impiegare ore o addirittura giorni per spostarsi da un lato all'altro di una cellula uovo in formazione. Per fortuna, la natura ha sviluppato un modo più veloce:vortici che attraversano le cellule nelle cellule uovo immature di animali come topi, zebrafish e moscerini della frutta. Questi vortici consentono spostamenti tra le celle che richiedono solo una frazione del tempo. Ma fino ad ora, gli scienziati non sapevano come si formassero questi flussi cruciali.

Utilizzando modelli matematici, i ricercatori ora hanno una risposta. I vortici derivano dal comportamento collettivo di tubi molecolari simili a bastoncelli chiamati microtubuli che si estendono verso l'interno dalle membrane delle cellule, i ricercatori riferiscono il 13 gennaio in Lettere di revisione fisica .

"Anche se non si sa molto sulla funzione biologica di questi flussi, distribuiscono nutrienti e altri fattori che organizzano il piano corporeo e guidano lo sviluppo, ", afferma il co-autore dello studio David Stein, ricercatore presso il Center for Computational Biology (CCB) del Flatiron Institute di New York City. Data l'ampiezza con cui i flussi vorticosi sono stati osservati in tutto il regno animale, "probabilmente lo sono anche negli esseri umani".

Gabriele De Canio, un ricercatore presso l'Università di Cambridge, ha co-diretto lo studio con Stein. I loro coautori erano il direttore del CCB e professore della New York University Michael Shelley e i professori di Cambridge Eric Lauga e Raymond Goldstein.

Gli scienziati hanno studiato i flussi cellulari dalla fine del XVIII secolo, quando il fisico italiano Bonaventura Corti scrutò all'interno delle cellule usando il suo microscopio. Vide fluidi in costante movimento, ma gli scienziati non hanno compreso i meccanismi che guidano questi flussi fino al 20esimo secolo, quando hanno identificato la fonte del movimento:motori molecolari che camminano lungo i microtubuli. Quei motori trasportano grandi carichi biologici come i lipidi. Far passare il carico attraverso i fluidi relativamente densi di una cella è come trascinare un pallone da spiaggia nel miele. Mentre i carichi utili si muovono attraverso il fluido, anche il fluido si muove, creando una piccola corrente.

Ma a volte quelle correnti non sono così piccole. In alcune fasi di sviluppo della cellula uovo di un comune moscerino della frutta, gli scienziati hanno individuato correnti simili a vortici che attraversavano l'intera cellula. In queste cellule, i microtubuli si estendono verso l'interno dalla membrana cellulare come gambi di grano. I motori molecolari che salgono su questi microtubuli spingono verso il basso sui microtubuli mentre salgono. Quella forza verso il basso piega il microtubulo, reindirizzare i flussi risultanti.

Precedenti studi consideravano questo meccanismo di flessione ma lo applicavano a microtubuli isolati. Questi studi prevedevano che i microtubuli si sarebbero mossi in cerchio, ma tale comportamento non corrispondeva alle osservazioni.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno aggiunto un fattore chiave al loro modello:l'influenza dei microtubuli vicini. Questa aggiunta ha mostrato che i flussi di fluido generati dai motori che trasportano il carico utile piegano i microtubuli vicini nella stessa direzione. Con abbastanza motori e una sufficiente densità di microtubuli, tutti i microtubuli alla fine si appoggiano insieme come un campo di grano catturato da una forte brezza. Questo allineamento collettivo orienta tutti i flussi nella stessa direzione, creando il vortice a livello cellulare visto nelle vere cellule del moscerino della frutta.

Pur essendo radicato nella realtà, il nuovo modello è ridotto all'essenziale per rivelare le condizioni responsabili dei flussi vorticosi. I ricercatori stanno ora lavorando su versioni che catturano in modo più realistico la fisica dietro i flussi per comprendere meglio il ruolo che le correnti svolgono nei processi biologici.