In molte specie, compreso l'uomo, le cellule responsabili della riproduzione, le cellule germinali, sono spesso altamente interconnessi e condividono il loro citoplasma. Nel nematode ermafrodita Caenorhabditis elegans, fino a 500 cellule germinali sono collegate tra loro nella gonade, il tessuto che produce uova e sperma. Queste cellule sono disposte attorno a un "corridoio" citoplasmatico centrale e scambiano materiale citoplasmatico favorendo la crescita cellulare, e infine producono ovociti pronti per essere fecondati.

Negli studi precedenti, i ricercatori hanno scoperto che le gonadi di C. elegans generano più cellule germinali del necessario e che solo la metà di esse cresce fino a diventare ovociti, mentre gli altri si restringono e muoiono per apoptosi fisiologica, una morte cellulare programmata che si verifica negli organismi multicellulari. Ora, scienziati del Centro di biotecnologia della TU Dresden (BIOTEC), l'Istituto Max Planck di biologia cellulare molecolare e genetica (MPI-CBG), il Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) presso la TU Dresden, l'Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi (MPI-PKS), l'Istituto Flatiron, New York, e l'Università della California, Berkeley, hanno trovato prove per rispondere alla domanda su cosa scatena questa decisione sul destino cellulare tra la vita e la morte nella linea germinale.

Studi precedenti hanno rivelato la base genetica e i segnali biochimici che guidano la morte cellulare fisiologica, ma i meccanismi che selezionano e avviano l'apoptosi nelle singole cellule germinali sono rimasti poco chiari. Quando le cellule germinali maturano lungo la gonade del nematode, prima crescono collettivamente in dimensioni e in volume in modo omogeneo. Nello studio appena pubblicato su Fisica della natura , gli scienziati mostrano che questa crescita omogenea si sposta improvvisamente in una crescita eterogenea in cui alcune cellule diventano più grandi e alcune cellule diventano più piccole.

Il ricercatore Nicolas Chartier nel gruppo di Stephan Grill, e co-primo autore dello studio, spiega, "Analizzando con precisione i volumi delle cellule germinali e i flussi di materiale citoplasmatico nei vermi viventi e sviluppando modelli teorici, abbiamo identificato un'instabilità idraulica che amplifica piccole differenze di volume iniziali casuali, che fa sì che alcune cellule germinali aumentino di volume a spese delle altre che si restringono. è un fenomeno, che può essere paragonato all'instabilità dei due palloncini, ben noto tra i fisici. Tale instabilità si verifica quando si soffia contemporaneamente in due palloncini di gomma tentando di gonfiarli entrambi. Solo il pallone più grande si gonfierà, perché ha una pressione interna inferiore a quella più piccola, ed è quindi più facile da gonfiare."

Questo è ciò che entra in gioco nella selezione delle cellule germinali:tali differenze di pressione tendono a destabilizzare la configurazione simmetrica a parità di volume delle cellule germinali, le cosiddette instabilità idrauliche, portando alla crescita della cellula germinale più grande a spese di quella più piccola. Riducendo artificialmente i volumi delle cellule germinali tramite pompaggio termoviscoso (metodo FLUCS:flusso citoplasmatico indotto dalla luce focalizzata), il team ha dimostrato che la riduzione dei volumi cellulari porta alla loro estrusione e morte cellulare, indicando che una volta che una cella è al di sotto di una dimensione critica, viene indotta l'apoptosi e la cellula muore.

Utilizzando l'imaging confocale, i ricercatori potrebbero immaginare l'intero organismo del verme vivente per ricevere un'immagine globale e precisa dei volumi di tutte le cellule delle gonadi, così come lo scambio di fluidi tra le cellule. Stefano Grill, Relatore del Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) e supervisore del lavoro multidisciplinare, aggiunge, "Questi risultati sono molto eccitanti perché rivelano che la decisione di vita e morte nelle cellule è di natura meccanica e correlata all'idraulica dei tessuti. Aiuta a capire come l'organismo seleziona automaticamente una cellula che diventerà un uovo. Inoltre, lo studio è un altro esempio dell'eccellente cooperazione tra biologi, fisici e matematici a Dresda."