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  • Nuoto sincronizzato:biologia su microscala

    Una fotografia di un microcanale di vetro. Una delle pareti laterali è stata rimossa per esporre un sottile microcilindro di vetro al centro del canale. Moneta da 1 yen inclusa per la bilancia. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology

    Fluidi filamentosi specializzati scorrono attraverso le articolazioni umane e aiutano a costituire sostanze come il muco. Questi fluidi contengono lunghi, molecole flessibili come polimeri o proteine, dando loro la capacità di allungare e assorbire gli urti.

    Però, gli scienziati devono ancora comprendere appieno come questi fluidi enigmatici interagiscono con strutture biologiche su piccola scala. Strutture di particolare interesse sono le ciglia, piccole proiezioni simili a peli attaccate alla membrana cellulare, che ondeggiano per svolgere funzioni come eliminare i contaminanti dalle vie aeree. Queste interazioni fluido-struttura sono importanti per comprendere con precisione come si muovono le ciglia per svolgere i loro compiti biologici. Però, queste interazioni avvengono su una scala così piccola che è stato difficile studiarle sperimentalmente.

    Ora, i ricercatori della Micro/Bio/Nanofluidics Unit presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno identificato alcune caratteristiche chiave di come questi cosiddetti fluidi viscoelastici scorrono attorno alle ciglia. I fluidi viscoelastici sono viscosi, come melassa, oltre che elastico. Lo studio, pubblicato in Piccolo , suggerisce che è l'elasticità dei fluidi che guida il movimento modellato delle ciglia, dicono i ricercatori.

    Entrare nel mondo dei piccolissimi

    Per impostare il loro esperimento, gli scienziati hanno scavato microcanali nel vetro di silice fusa. Questi canali contenevano uno o due pali cilindrici flessibili fissati a un lato del canale, che rappresentava le ciglia.

    Videomicroscopia ad alta velocità delle punte dei montanti, illustrando i loro movimenti altamente sincronizzati. Il video del microscopio grezzo viene mostrato nel grafico in alto con le posizioni di partenza e tracciate dei post sovrapposte al video. I grafici in basso a sinistra e a destra mostrano come le posizioni X e Y dei post, rispettivamente, variare con il tempo. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology

    Gli scienziati hanno quindi utilizzato pompe a siringa per spingere una soluzione viscoelastica attraverso i microcanali di vetro a una velocità controllata con precisione. Il fluido sperimentale conteneva micelle vermiformi (chiamate anche polimeri viventi), che sono strutture flessibili di dimensioni micron che imitano il movimento delle molecole biologiche presenti nei fluidi corporei umani.

    I ricercatori hanno effettuato una serie di misurazioni, utilizzando tre microscopi separati ad alta potenza con diverse tecniche ottiche per catturare il comportamento e le proprietà del fluido mentre interagiva con i pali.

    Primo, gli scienziati hanno utilizzato un metodo chiamato velocimetria a immagine di microparticelle per registrare la velocità del fluido mentre scorreva attorno ai pali. Hanno osservato che il fluido si muoveva preferenzialmente attorno a un lato dei pali, lasciando fluido praticamente stazionario dall'altra parte. A determinate velocità di flusso, però, il fluido sul lato stazionario iniziò a fluire con un movimento a scatti.

    Mentre il fluido si muoveva, il palo cominciò a oscillare. "Un aspetto importante dello studio è stata la nostra capacità di monitorare attentamente le oscillazioni risultanti dei perni in funzione del tempo utilizzando la microscopia video ad alta velocità, " ha detto il dottor Simon Haward, il capogruppo dell'unità.

    Usando un metodo chiamato microscopia a luce polarizzata ad alta velocità, sono stati anche in grado di tracciare le regioni attorno ai perni cilindrici in cui le micelle simili a vermi si allungavano elasticamente, e per correlare la quantità di stretching con la posizione dei pali.

    Durante l'interazione con il fluido, due montanti vicini l'uno all'altro cominciarono ad oscillare in sincronia quasi perfetta, suggerendo che l'elasticità del fluido sta mediando il battito sincrono delle ciglia di una cellula, dicono i ricercatori.

    Microscopia a luce polarizzata ad alta velocità che mostra l'allungamento elastico delle micelle vermiformi durante il flusso attorno a due perni cilindrici, che sono rappresentati da cerchi bianchi. Il colore della trama indica il grado di stiramento, dove il nero non è stretching e il bianco è un alto grado di stretching. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology

    "La dinamica temporale sincrona dei pali è completamente impartita dal fluido stesso, " ha detto il dottor Cameron Hopkins, il primo autore dello studio. "Però, questo avviene solo in determinate condizioni. Se aumentiamo la portata e quindi l'influenza dell'elasticità del fluido, poi perdiamo la regolarità delle oscillazioni e diventa irregolare."

    Sviluppo di nuovi modelli biologici

    Andando avanti, gli scienziati sperano di studiare come la modifica della flessibilità e delle distanze tra i montanti cilindrici influenzerà il loro comportamento. Hopkins e i suoi colleghi sperano anche di ripetere l'esperimento in un sistema più grande con un massimo di venti perni cilindrici per emulare una serie di ciglia.

    "La nostra attuale configurazione sperimentale è una geometria idealizzata, ovviamente, i sistemi biologici reali sono molto più complicati, " ha detto la professoressa Amy Shen, il capo dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidica. "Questo modello attuale è un trampolino di lancio verso qualcosa di più complesso e biologicamente più rilevante".

    I ricercatori sperano che ulteriori ricerche aiuteranno a illuminare la fisica del molto piccolo e forse forniranno informazioni sui movimenti dinamici che si verificano all'interno delle nostre stesse cellule.


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