Nelle sue prime fasi, molto prima che germoglino le sue appendici distintive, un embrione di stella marina assomiglia a una minuscola perla, che gira nell'acqua come un cuscinetto a sfere in miniatura.

Ora, gli scienziati del MIT hanno osservato che quando più embrioni di stelle marine ruotano sulla superficie dell'acqua, gravitano l'uno sull'altro e si assemblano spontaneamente in una struttura cristallina sorprendentemente organizzata.

Ancora più curioso, questo "cristallo vivente" collettivo può mostrare una strana elasticità, una proprietà esotica per cui la rotazione delle singole unità, in questo caso gli embrioni, provoca increspature molto più grandi sull'intera struttura.

I ricercatori hanno scoperto che questa configurazione cristallina increspata può persistere per periodi di tempo relativamente lunghi prima di dissolversi man mano che i singoli embrioni maturano.

"È assolutamente straordinario:questi embrioni sembrano bellissime perle di vetro e vengono in superficie per formare questa perfetta struttura cristallina", afferma Nikta Fakhri, Professore Associato di Fisica per lo sviluppo della carriera di Thomas D. e Virginia W. Cabot al MIT. "Come uno stormo di uccelli che può evitare i predatori, o volare più agevolmente perché possono organizzarsi in queste grandi strutture, forse questa struttura cristallina potrebbe avere dei vantaggi di cui non siamo ancora a conoscenza."

Al di là delle stelle marine, dice, questo assemblaggio di cristalli increspati e autoassemblanti potrebbe essere applicato come principio di progettazione, ad esempio nella costruzione di robot che si muovono e funzionano collettivamente.

"Immagina di costruire uno sciame di robot morbidi e rotanti che possono interagire tra loro come questi embrioni", afferma Fakhri. "Potrebbero essere progettati per auto-organizzarsi per incresparsi e strisciare attraverso il mare per svolgere un lavoro utile. Queste interazioni aprono una nuova gamma di fisica interessante da esplorare".

Fakhri e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati in uno studio apparso oggi su Nature .

Giro insieme

Fakhri afferma che le osservazioni del team sui cristalli di stelle marine sono state una "scoperta fortuita". Il suo gruppo ha studiato come si sviluppano gli embrioni di stelle marine e, in particolare, come le cellule embrionali si dividono nelle primissime fasi.

"Le stelle marine sono uno dei più antichi sistemi modello per lo studio della biologia dello sviluppo perché hanno cellule grandi e sono otticamente trasparenti", afferma Fakhri.

I ricercatori stavano osservando come nuotano gli embrioni mentre maturano. Una volta fecondati, gli embrioni crescono e si dividono, formando un guscio che poi germoglia minuscoli peli, o ciglia, che spingono un embrione attraverso l'acqua. A un certo punto, le ciglia si coordinano per far girare un embrione in una particolare direzione di rotazione, o "chiralità". Tzer Han Tan, uno dei membri del gruppo, ha notato che mentre gli embrioni nuotavano in superficie, continuavano a girare l'uno verso l'altro.

"Di tanto in tanto, un piccolo gruppo si riuniva e in qualche modo ballava", dice Fakhri. "E si scopre che ci sono altri organismi marini che fanno la stessa cosa, come alcune alghe. Quindi, abbiamo pensato, questo è intrigante. Cosa succede se ne metti insieme molti?"

Nel loro nuovo studio, lei e i suoi colleghi hanno fecondato migliaia di embrioni di stelle marine, poi li hanno osservati mentre nuotavano verso la superficie di piatti poco profondi.

"Ci sono migliaia di embrioni in un piatto e iniziano a formare questa struttura cristallina che può diventare molto grande", afferma Fakhri. "Lo chiamiamo cristallo perché ogni embrione è circondato da sei embrioni vicini in un esagono che si ripete attraverso l'intera struttura, molto simile alla struttura cristallina del grafene".

Cristalli tremolanti

To understand what might be triggering embryos to assemble like crystals, the team first studied a single embryo's flow field, or the way in which water flows around the embryo. To do this, they placed a single starfish embryo in water, then added much smaller beads to the mix, and took images of the beads as they flowed around the embryo at the water's surface.

Based on the direction and flow of the beads, the researchers were able to map the flow field around the embryo. They found that the cilia on the embryo's surface beat in such a way that they spun the embryo in a particular direction and created whirlpools on either side of the embryo that then drew in the smaller beads.

Mietke, a postdoc in Dunkel's applied mathematics group at MIT, worked this flow field from a single embryo into a simulation of many embryos, and ran the simulation forward to see how they would behave. The model produced the same crystal structures that the team observed in its experiments, confirming that the embryos' crystallizing behavior was most likely a result of their hydrodynamic interactions and chirality.

In their experiments, the team also observed that once a crystal structure had formed, it persisted for days, and during this time spontaneous ripples began to propagate across the crystal.

"We could see this crystal rotating and jiggling over a very long time, which was absolutely unexpected," she says. "You would expect these ripples to die out quickly, because water is viscous and would dampen these oscillations. This told us the system has some sort of odd elastic behavior."

The spontaneous, long-lasting ripples may be the result of interactions between the individual embryos, which spin against each other like interlocking gears. With thousands of gears spinning in crystal formation, the many individual spins could set off a larger, collective motion across the entire structure.

The researchers are now investigating whether other organisms such as sea urchins exhibit similar crystalline behavior. They are also exploring how this self-assembling structure could be replicated in robotic systems.

"You can play with this design principle of interactions and build something like a robotic swarm that can actually do work on the environment," she says. + Esplora ulteriormente

Researchers build embryo-like structures from human stem cells

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