Per la prima volta, gli scienziati hanno introdotto minuscoli dispositivi di localizzazione direttamente all'interno delle cellule dei mammiferi, dando uno sguardo senza precedenti ai processi che governano l'inizio dello sviluppo.

Questo lavoro sugli embrioni unicellulari è destinato a cambiare la nostra comprensione dei meccanismi che sono alla base del comportamento cellulare in generale, e può infine fornire approfondimenti su ciò che va storto nell'invecchiamento e nelle malattie.

La ricerca, guidato dal professor Tony Perry del Dipartimento di Biologia e Biochimica dell'Università di Bath, prevedeva l'iniezione di un nanodispositivo a base di silicio insieme allo sperma nella cellula uovo di un topo. Il risultato è stato un sano, uovo fecondato contenente un dispositivo di localizzazione.

I minuscoli dispositivi sono un po' come i ragni, completo di otto "gambe" altamente flessibili. Le gambe misurano le forze di "trazione e spinta" esercitate all'interno della cella con un livello di precisione molto elevato, rivelando così le forze cellulari in gioco e mostrando come la materia intracellulare si sia riorganizzata nel tempo.

I nanodispositivi sono incredibilmente sottili, simili ad alcuni dei componenti strutturali della cellula, e misura 22 nanometri, facendoli circa 100, 000 volte più sottile di una moneta da una sterlina. Ciò significa che hanno la flessibilità di registrare il movimento del citoplasma della cellula mentre l'embrione unicellulare intraprende il suo viaggio per diventare un embrione a due cellule.

"Questo è il primo assaggio della fisica di qualsiasi cellula su questa scala dall'interno, " ha detto il professor Perry. "È la prima volta che qualcuno ha visto dall'interno come il materiale cellulare si muove e si organizza".

Perché sondare il comportamento meccanico di una cellula?

L'attività all'interno di una cellula determina come funziona quella cellula, spiega il professor Perry. "Il comportamento della materia intracellulare è probabilmente tanto influente sul comportamento cellulare quanto l'espressione genica, " ha detto. Fino ad ora, però, questa complessa danza di materiale cellulare è rimasta in gran parte non studiata. Di conseguenza, gli scienziati sono stati in grado di identificare gli elementi che compongono una cellula, ma non come si comporta l'interno della cella nel suo insieme.

"Dagli studi di biologia ed embriologia, sappiamo di certe molecole e fenomeni cellulari, e abbiamo intrecciato queste informazioni in una narrativa riduzionista di come funzionano le cose, ma ora questa narrazione sta cambiando, " ha detto il professor Perry. La narrazione è stata scritta in gran parte da biologi, che ha portato con sé le domande e gli strumenti della biologia. Quello che mancava era la fisica. La fisica si interroga sulle forze che guidano il comportamento di una cellula, e fornisce un approccio top-down per trovare la risposta.

"Ora possiamo guardare la cella nel suo insieme, non solo i dadi e i bulloni che lo fanno."

Gli embrioni di topo sono stati scelti per lo studio a causa delle loro dimensioni relativamente grandi (misurano 100 micron, o 100 milionesimi di metro, di diametro, rispetto a una cella normale di soli 10 micron [10 milionesimi di metro] di diametro). Ciò significava che all'interno di ogni embrione, c'era spazio per un dispositivo di localizzazione.

I ricercatori hanno effettuato le misurazioni esaminando le registrazioni video scattate al microscopio durante lo sviluppo dell'embrione. "A volte i dispositivi sono stati lanciati e distorti da forze che erano persino maggiori di quelle all'interno delle cellule muscolari, " disse il professor Perry. "Altre volte, i dispositivi si muovevano molto poco, mostrando che l'interno della cella era diventato calmo. Non c'era niente di casuale in questi processi:dal momento in cui hai un embrione unicellulare, tutto è fatto in modo prevedibile. La fisica è programmata".

I risultati si aggiungono a un quadro emergente della biologia che suggerisce che il materiale all'interno di una cellula vivente non è statico, ma invece cambia le sue proprietà in modo preordinato mentre la cellula svolge la sua funzione o risponde all'ambiente. Il lavoro potrebbe un giorno avere implicazioni per la nostra comprensione di come le cellule invecchiano o smettono di funzionare come dovrebbero, che è ciò che accade nella malattia.

Lo studio è pubblicato questa settimana in Materiali della natura e ha coinvolto una partnership transdisciplinare tra biologi, scienziati dei materiali e fisici con sede nel Regno Unito, Spagna e Stati Uniti.