(PhysOrg.com) -- Cilia, minuscole strutture simili a capelli che eseguono imprese come la rimozione di detriti microscopici dai polmoni e la determinazione della posizione corretta degli organi durante lo sviluppo, muoversi in modi misteriosi. I loro movimenti di battito sono sincronizzati per produrre onde metacronali, simile nell'aspetto a "l'onda" creata nelle grandi arene quando i membri del pubblico usano le mani per produrre uno schema di movimento intorno all'intero stadio.

A causa dell'importanza delle funzioni ciliari per la salute, c'è un grande interesse nella comprensione del meccanismo che controlla i modelli di battito delle ciglia. Ma imparare esattamente come è coordinato il movimento delle ciglia è stato impegnativo.

Questo potrebbe iniziare a cambiare come risultato della creazione, da un team di ricercatori Brandeis, di strutture artificiali simili a ciglia che offre drammaticamente un nuovo approccio per lo studio delle ciglia.

In un recente articolo pubblicato sulla rivista Scienza , Il professore associato di fisica Zvonimir Dogic e colleghi presentano il primo esempio di un semplice sistema microscopico che si auto-organizza per produrre modelli di battito simili a ciglia.

“Abbiamo dimostrato che c'è un nuovo approccio allo studio del pestaggio, "dice Dogico. “Invece di decostruire la struttura pienamente funzionante, possiamo iniziare a costruire la complessità da zero".

La complessità di queste strutture rappresenta una sfida importante poiché ogni ciglio contiene più di 600 proteine ​​diverse. Per questa ragione, la maggior parte degli studi precedenti sulle ciglia hanno impiegato un approccio dall'alto verso il basso, tentando di studiare il meccanismo di battitura decostruendo le strutture pienamente funzionanti attraverso l'eliminazione sistematica dei singoli componenti.

Il team interdisciplinare era composto dallo studente laureato in fisica Timothy Sanchez e dallo studente laureato in biochimica David Welch che ha lavorato con la biologa Daniela Nicastro e Dogic. Il loro sistema sperimentale era composto da tre componenti principali:filamenti di microtubuli - minuscoli cilindri cavi che si trovano sia nelle cellule animali che in quelle vegetali, proteine ​​motorie chiamate chinesina, che consumano combustibile chimico per spostarsi lungo i microtubuli e un agente legante che induce l'assemblaggio dei filamenti in fasci.

Sanchez e colleghi hanno scoperto che in un particolare insieme di condizioni questi componenti molto semplici si organizzano spontaneamente in fasci attivi che battono in modo periodico.

Oltre ad osservare il battito di fasci isolati, i ricercatori sono stati anche in grado di assemblare un denso campo di fasci che hanno sincronizzato spontaneamente i loro schemi di battito in onde in movimento.

I processi di auto-organizzazione di vario genere sono recentemente diventati un punto focale della comunità dei fisici. Questi processi vanno da funzioni cellulari microscopiche e sciami di batteri a fenomeni macroscopici come stormi di uccelli e ingorghi. Poiché gli esperimenti controllabili con gli uccelli, la folla negli stadi di calcio e il traffico sono praticamente impossibili da condurre, gli esperimenti descritti da Sanchez e colleghi potrebbero servire come modello per testare un'ampia gamma di previsioni teoriche.

Inoltre, la riproduzione di una funzionalità biologica così essenziale in un sistema semplice sarà di grande interesse nei campi della biologia cellulare ed evolutiva, dice Dogico. I risultati aprono anche una porta per lo sviluppo di uno dei principali obiettivi della nanotecnologia:progettare un oggetto in grado di nuotare in modo indipendente.