La malattia della malaria è innescata da parassiti unicellulari che si accumulano in grandi gruppi nelle ghiandole salivari delle zanzare prima della trasmissione agli esseri umani. Lo spazio limitato impedisce loro di muoversi effettivamente, a meno che questa restrizione non venga revocata mediante un'adeguata preparazione sperimentale. Proprio in una tale serie di esperimenti, i ricercatori dell'Università di Heidelberg hanno messo in moto gli agenti patogeni e hanno analizzato i dati dell'immagine acquisiti utilizzando metodi all'avanguardia di elaborazione delle immagini. I dati mostrano che gli agenti patogeni che si muovono collettivamente formano sistemi a vortice che sono in gran parte determinati da principi fisici. Speciali simulazioni al computer hanno aiutato a identificare i meccanismi alla base di questi movimenti rotatori.

Il movimento collettivo degli organismi biologici è un fenomeno comune nel mondo naturale. Insetti e pesci, ad esempio, tendono a muoversi in sciami. Spesso, il movimento collettivo si verifica anche a livello cellulare, come quando le cellule tumorali migrano da un tumore o i batteri formano un biofilm. La collaborazione di molti individui può dar luogo al cosiddetto comportamento emergente, nuove caratteristiche che altrimenti non esisterebbero in questa forma.

"In fisica, la collettività crea processi così importanti come transizioni di fase, superconduttività e proprietà magnetiche", spiega il Prof. Dr. Ulrich Schwarz, capo del gruppo di lavoro Fisica dei Biosistemi Complessi presso l'Istituto di Fisica Teorica dell'Università di Heidelberg. In uno studio interdisciplinare insieme al Prof. Dr. Friedrich Frischknecht (ricerca sulla malaria) e al Prof. Dr. Karl Rohr (analisi biomedica dell'immagine), ha dimostrato che il movimento collettivo può verificarsi anche nel Plasmodium, l'agente eziologico della malaria.

L'organismo unicellulare viene iniettato nella pelle attraverso una puntura di zanzara, sviluppandosi prima nel fegato e poi nel sangue. Poiché il plasmodio agisce come una singola cellula nella maggior parte dei suoi stadi, fino ad ora le sue proprietà collettive sono state poco studiate. Nella ghiandola salivare della zanzara, il parassita ha una forma lunga e curva, simile a una falce di luna, ed è noto come sporozoite. "Non appena gli sporozoiti vengono iniettati nella pelle dalla zanzara, i singoli parassiti iniziano a spostarsi rapidamente verso i vasi sanguigni. Questa è la fase critica dell'infezione, perché ha successo solo se un agente patogeno raggiunge il flusso sanguigno", afferma il prof. Frischknecht.

Nei loro studi presso il Center for Infectious Diseases dell'ospedale universitario di Heidelberg, Friedrich Frischknecht e il suo team hanno scoperto che i parassiti nelle ghiandole salivari infette possono essere mobilitati come un collettivo. Per fare ciò, le ghiandole salivari vengono sezionate dalla zanzara e premute con cura tra due piccole lastre di vetro. I ricercatori sono stati sorpresi di scoprire che le cellule a forma di luna crescente formano vortici rotanti nella nuova preparazione. Ricordano i movimenti collettivi di batteri o pesci, anche se differiscono in quanto ruotano sempre nella stessa direzione. I vortici parassiti hanno quindi un carattere chirale e, analogamente inaspettatamente, fluttuano di dimensioni. Secondo il Prof. Frischknecht, queste oscillazioni indicano caratteristiche emergenti, poiché sono possibili solo nel collettivo delle cellule in movimento e si rafforzano in vortici più grandi.

Per comprendere più precisamente questi fenomeni, i dati sperimentali sono stati analizzati quantitativamente. I gruppi di Ulrich Schwarz e Karl Rohr, capo del Biomedical Computer Vision Group presso il BioQuant Center dell'Università di Heidelberg, hanno utilizzato metodi all'avanguardia di elaborazione delle immagini per questo scopo. Sono stati in grado di tracciare i singoli parassiti nei vortici rotanti e misurarne sia la velocità che la curvatura.

Utilizzando le cosiddette simulazioni al computer basate su agenti, è stato possibile identificare con precisione quelle leggi che possono spiegare tutti gli aspetti delle osservazioni sperimentali. L'interazione tra movimento attivo, forma curva della cellula e chiralità in combinazione con la flessibilità meccanica è sufficiente per spiegare i fenomeni di smistamento e oscillazione nei vortici del parassita. Le oscillazioni osservate dagli scienziati sorgono perché il movimento dei singoli agenti patogeni viene convertito in energia elastica che viene immagazzinata nel vortice. "Il nostro nuovo sistema modello offre l'opportunità di comprendere meglio la fisica dei collettivi con proprietà elastiche e forse renderli utilizzabili per applicazioni tecniche in futuro", afferma il fisico Ulrich Schwarz.

Nella fase successiva, i ricercatori indagheranno esattamente come si verifica la chiralità del movimento. La struttura degli sporozoiti suggerisce diverse possibilità che possono essere studiate in esperimenti con mutazioni genetiche. Le prime simulazioni al computer hanno già dimostrato che i parassiti che girano a destra ea sinistra segregano rapidamente e generano sistemi di vortici separati. Una migliore comprensione dei meccanismi molecolari sottostanti potrebbe aprire nuove strade per interrompere il movimento degli sporozoiti all'inizio di ogni infezione da malaria. "In ogni caso, il nostro studio ha dimostrato che i meccanismi degli agenti patogeni svolgono un ruolo estremamente importante e finora trascurato, una scoperta che apre anche nuove prospettive per gli interventi medici", afferma Frischknecht.

Il lavoro di ricerca è stato condotto nell'ambito del Centro di ricerca collaborativa 1129, "Analisi integrativa della replicazione e diffusione dei patogeni", con sede presso la Facoltà di medicina di Heidelberg dell'Università di Heidelberg. I risultati dello studio interdisciplinare sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics . + Esplora ulteriormente

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