Nella prima fase della vita, gli animali subiscono alcune delle loro trasformazioni fisiche più spettacolari. Una volta solo macchie di cellule in divisione, iniziano a riorganizzarsi nelle loro forme più caratteristiche, siano pesci, uccelli o umani. Capire come le cellule agiscono insieme per costruire i tessuti è stato un problema fondamentale in fisica e biologia.

Ora, Professore Otger Campàs dell'UC Santa Barbara, che detiene anche la cattedra Mellichamp in Systems Biology and Bioengineering, e Sangwoo Kim, un borsista post-dottorato nel laboratorio del professor Campàs, si sono avvicinati a questa domanda, con risultati sorprendenti.

"Quando hai molte cellule che interagiscono fisicamente tra loro, come si comporta il sistema collettivamente? Qual è lo stato fisico dell'ensemble?" ha detto Campàs.

Infatti, Lui ha spiegato, il tessuto cellulare embrionale è un "materiale strano, " con ogni cellula che consuma energia chimica e la usa per applicare forze ai suoi vicini e coordinare le loro azioni. Gli studi in vitro con cellule in piatti sintetici forniscono solo una parte del quadro, Ha aggiunto; studiando le cellule nel loro ambiente nativo, l'embrione vivente, potrebbero scoprire come le cellule controllano il loro stato collettivo e le transizioni di fase che emergono dalla loro sinfonia di spinte e attrattive.

In un articolo pubblicato su Fisica della natura , Campa, Kim e colleghi riportano lo sviluppo di un framework computazionale che cattura le varie interazioni tra le cellule e le collega alle dinamiche del tessuto embrionale. A differenza delle simulazioni precedenti, questo quadro tiene conto di diverse caratteristiche chiave relative alle interazioni cellulari, come gli spazi tra le celle, forme cellulari e fluttuazioni di tensione dove le cellule si incontrano.

"Per comprendere appieno il comportamento fisico dei tessuti embrionali, tutti gli aspetti chiave dei tessuti embrionali su scala cellulare dovrebbero essere presi in considerazione nel modello poiché le proprietà dei tessuti emergenti derivano da interazioni su scala cellulare, " ha detto Kim, l'autore principale dello studio. "Esistono numerosi modelli per studiare i tessuti embrionali, ma non esiste un quadro generale che includa queste caratteristiche chiave, ostacolando la comprensione olistica dei comportamenti fisici dei tessuti embrionali".

Cellule tremolanti

Tessuto embrionale, secondo i ricercatori, si comporta fisicamente un po' come una schiuma acquosa, un sistema composto da singole sacche d'aria raggruppate insieme in un liquido. Pensa alla schiuma di sapone o alla schiuma di birra.

"Nel caso della schiuma, la sua struttura e dinamica sono governate dalla tensione superficiale, " ha detto Kim. Forze analoghe si trovano dove le cellule entrano in contatto tra loro nel tessuto embrionale, su entrambe le facce interne delle membrane cellulari e tra le cellule.

"Le forze effettive che agiscono sulle giunzioni cellula-cellula sono governate dalla tensione corticale e dall'adesione cellula-cellula, "Kim ha detto, "così la forza netta ai contatti da cellula a cellula può essere modellata come una tensione superficiale effettiva".

Però, a differenza delle forze più statiche tra le celle nelle schiume tipiche, le forze tra le cellule nel tessuto embrionale sono dinamiche.

"Le cellule dei tessuti non generano forze statiche, ma piuttosto mostrano dinamiche di spinta e trazione nel tempo, "Spiega Campàs. "E scopriamo che in realtà sono queste fluttuazioni di tensione che effettivamente 'fondono' il tessuto in uno stato fluido". È questa fluidità del tessuto che consente alle cellule di riorganizzare e modellare i tessuti, Lui ha spiegato.

I ricercatori hanno messo alla prova il loro modello misurando come le forze cambiano nel tempo nei pesci zebra embrionali, un organismo modello popolare per coloro che studiano lo sviluppo dei vertebrati. Basandosi su una tecnica sviluppata nel Campàs Lab utilizzando minuscole goccioline magnetiche inserite tra le cellule in zebrafish embrionale, hanno potuto confermare, dal modo in cui la goccia si è deformata, le forze dinamiche dietro lo stato fluido del tessuto.

La loro scoperta che le fluttuazioni di tensione sono responsabili della fluidità del tessuto durante lo sviluppo è in contrasto con l'idea generalmente accettata che i cambiamenti nell'adesione tra le cellule sono il fattore critico che controllava la fluidità del tessuto, se l'adesione tra le cellule raggiungeva una certa soglia elevata , il tessuto diventerebbe fluido.

"Ma poiché le forze e le tensioni cellulari fluttuano negli embrioni, potrebbe essere che questi abbiano svolto un ruolo importante nella fluidificazione dei tessuti, " ha detto Campàs. "Quindi quando abbiamo eseguito le simulazioni e fatto gli esperimenti, ci siamo resi conto che in realtà il tremolio era molto più importante per la fluidificazione che l'adesione." Lo stato fluido del tessuto è il risultato della dinamica delle forze, piuttosto che cambiamenti nella tensione o adesione statica delle cellule.

I risultati di questo studio potrebbero avere implicazioni nel campo della fisica, in particolare nel regno della materia attiva, sistemi di molte unità individuali che consumano energia e applicano forze meccaniche che mostrano collettivamente comportamenti collettivi emergenti. Lo studio potrebbe anche informare gli studi in biologia, nelle indagini su come i cambiamenti nei parametri cellulari individuali potrebbero controllare lo stato globale del tessuto come con lo sviluppo embrionale o con i tumori.