Una forza invisibile dà inizio alla vita

Gli scienziati studiano come le forze di attrito guidano l'evoluzione negli organismi marini.

Quando un vasaio lavora su un filatoio, l'attrito tra le sue mani e l'argilla morbida lo aiuta a modellarla in tutti i tipi di forme e creazioni. In un affascinante parallelo, gli ovociti marini (cellule uovo immature) sfruttano l'attrito all'interno di diversi compartimenti al loro interno per subire cambiamenti di sviluppo dopo il concepimento. Uno studio condotto dal gruppo di Heisenberg presso l'Istituto di Scienza e Tecnologia in Austria (ISTA), pubblicato nel Fisica della naturaora descrive come funziona.

Ascidie attaccate alle barriere coralline. L'organismo marino è un ottimo modello per lo studio dei processi di sviluppo dei vertebrati.

Vita marina diversificata: il mondo degli ascidie

Il mare è pieno di meravigliose forme di vita. Dalle alghe ai pesci colorati, dalle lumache di mare alle ascidie, sott'acqua si svela un mondo completamente diverso. Molto particolari sono soprattutto le ascidie, o ciotole in particolare: dopo lo stadio larvale che si muove liberamente, la larva si deposita e si attacca a superfici dure come rocce o coralli, sviluppando tubi (sifoni), che sono la loro caratteristica distintiva. Sebbene da adulti assomiglino a macchie di gomma, sono i parenti invertebrati più vicini all'uomo. Soprattutto nello stadio larvale, le ascidie sono sorprendentemente simili a noi.

Pertanto, gli asceti sono spesso utilizzati come organismi modello per studiare lo sviluppo embrionale iniziale Vertebrati A cui appartengono gli esseri umani. “Sebbene le ascidie mostrino le caratteristiche di sviluppo e morfologiche di base dei vertebrati, hanno anche la semplicità cellulare e genomica tipica dei vertebrati”. Invertebrati“La larva dell'ascidia in particolare è un modello ideale per comprendere lo sviluppo iniziale dei vertebrati”, spiega Carl Philipp Heisenberg, professore presso l'Istituto di scienza e tecnologia Austria (ISTA).

I ricercatori hanno etichettato la proteina actina nella corteccia dell’actomiosina (a sinistra, colorazione verde) e nel mioplasma (a destra, colorazione blu) per visualizzare il loro movimento dopo la fecondazione dell’ovulo. Quando il guscio dell'actomiosina nella regione inferiore dell'uovo si muove, interagisce meccanicamente con il mioplasma, provocandone la deformazione. Le fibbie alla fine si dissolvono nel polo di contrazione. Credito: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Il lavoro più recente del suo gruppo di ricerca, pubblicato in Fisica della natura, ora fornisce nuovi spunti sul suo sviluppo. I risultati indicano che quando le uova degli asceti vengono fecondate, le forze di attrito svolgono un ruolo cruciale nel rimodellamento e nella riorganizzazione della loro parte interna, preannunciando i passi successivi nella loro cascata di sviluppo.

Decifrare la metamorfosi dell'uovo

Gli ovuli sono cellule germinali femminili coinvolte nella riproduzione. Dopo la fecondazione riuscita da parte dello sperma maschile, le uova animali subiscono tipicamente una riorganizzazione citoplasmatica, modificando il loro contenuto e i loro componenti cellulari. Questo processo costituisce un modello per il successivo sviluppo del feto. Ad esempio, nel caso degli asceti, questa modificazione porta alla formazione di una protuberanza a campana – una piccola protuberanza o forma nasale – nota come polo di contrazione (CP), dove si accumulano sostanze essenziali che facilitano la maturazione fetale. Ma il meccanismo alla base di questo processo è sconosciuto.

Formazione di un polo di contrazione. Microscopico time-lapse dei cambiamenti della forma cellulare negli ovociti xenotrapiantati dopo la fecondazione: dall'uovo non fecondato all'inizio del polo di contrazione, alla formazione del polo di contrazione, al riassorbimento del polo di contrazione. Credito: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Un gruppo di scienziati dell'ISTA, della Paris City University, del CNRS, del King's College di Londra e della Sorbona ha deciso di svelare questo mistero. A tal fine, il gruppo Heisenberg ha importato ascidie adulte dal Roscoff Marine Terminal in Francia. Quasi tutte le ascidie sono ermafroditi, poiché producono cellule germinali sia maschili che femminili. “In laboratorio li conserviamo in serbatoi di acqua salata in a Classificare“Un modo conveniente per ottenere ovociti e spermatozoi per studiare il loro primo sviluppo embrionale”, afferma Silvia Caballero Mancebo, prima autrice di questo studio ed ex studentessa di dottorato nel laboratorio di Heisenberg.

Formazione di un polo di contrazione. Microscopico time-lapse dei cambiamenti della forma cellulare negli ovociti asceti dopo la fecondazione: da un uovo non fecondato (prima immagine da sinistra) all'inizio del polo di contrazione (seconda e terza immagine da sinistra) e alla formazione del polo di contrazione (quarta immagine da sinistra). Credito: © Caballero-Mancebo et al./Fisica della natura

Gli scienziati hanno analizzato al microscopio le uova fecondate degli asceti e si sono resi conto che stavano seguendo cambiamenti altamente riproducibili nella forma cellulare che portano alla formazione del polo contrattile. La prima indagine dei ricercatori si è concentrata sulla corteccia (cellula) dell'actomiosina, una struttura dinamica che si trova sotto la membrana cellulare nelle cellule animali. È costituito da filamenti di actina e proteine ​​motrici e generalmente agisce come motore per i cambiamenti di forma nelle cellule.

“Abbiamo scoperto che quando le cellule vengono fecondate, l’aumento della tensione nella corteccia di actomiosina le fa contrarre, innescando il loro movimento (flusso), portando ai primi cambiamenti nella forma cellulare”, continua Caballero-Mancebo. Tuttavia, il flusso di actomiosina cessa durante l’espansione dei poli di contrazione, suggerendo che ci siano ulteriori attori responsabili della protrusione.

Silvia Caballero Mancebo. Il diplomato dell'ISTA trova grande piacere nel risolvere i misteri della natura e nel trasformarli in romanzi. Credito immagine: © Nadine Boncioni/ISTA

Le forze di attrito influenzano il rimodellamento cellulare

Gli scienziati hanno esaminato più da vicino altri componenti cellulari che potrebbero svolgere un ruolo nell'espansione dei poli di contrazione. In tal modo, hanno incontrato il mioplasma, uno strato costituito da organelli e molecole intracellulari (le cui forme correlate si trovano in molte uova di vertebrati e invertebrati), centrato nella regione inferiore della cellula uovo ascetica. “Questo strato specifico si comporta come un materiale solido ed estensibile, cambia forma con l'uovo durante la fecondazione”, spiega Caballero-Mancebo.

Carl Philipp Heisenberg presso l'Istituto di scienza e tecnologia in Austria (ISTA). Il gruppo di ricerca di biologi cellulari dell'ISTA studia le ascidie e i pesci zebra e cerca di capire come gruppi disorganizzati di cellule si trasformano in forme elaborate man mano che si sviluppano. Credito immagine: © Nadine Boncioni/ISTA

Durante lo scorrimento del guscio di actomiosina, il mioplasma si piega e forma numerose increspature a causa delle forze di attrito esistenti tra i due componenti. Quando il movimento dell’actomiosina si arresta, scompaiono anche le forze di attrito. “Questo arresto alla fine porta all’espansione del polo di contrazione man mano che molteplici fibbie mioplasmatiche si dissolvono in una sporgenza ben definita a forma di campana”, aggiunge Caballero-Mancebo.

Lo studio fornisce nuove informazioni su come le forze meccaniche determinano la forma delle cellule e degli organismi. Mostra che le forze di attrito hanno un ruolo fondamentale nella formazione e nella formazione di un organismo in via di sviluppo. Tuttavia, gli scienziati stanno appena iniziando a comprendere il ruolo specifico dell’attrito nello sviluppo embrionale. “Anche il mioplasma è interessante, perché è coinvolto in altri processi embrionali anche negli asceti”, aggiunge Heisenberg, “Sarà molto interessante esplorare le sue insolite proprietà fisiche e capire come gioca un ruolo nella formazione delle ascidie”.

Riferimento: “Le forze di attrito determinano la riorganizzazione citoplasmatica e i cambiamenti di forma degli ovociti durante la fecondazione” di Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris e Carl Philipp Heisenberg, 9 gennaio 2024, Fisica della natura.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1