Dal caos alla struttura
Pipettare liquidi in minuscole provette, analizzare enormi set di dati, studiare attentamente pubblicazioni di ricerca: tutti questi compiti fanno parte dell’essere uno scienziato. Ma rompere questa routine è essenziale. Il tempo lontano dal solito ambiente di lavoro può far nascere idee creative. I ritiri di laboratorio, ad esempio, offrono un ambiente fantastico in cui i ricercatori possono interagire con altri colleghi, spesso portando a nuove collaborazioni.
Quest’ultimo era vero per Bernat Corominas-Murtra ed Edouard Hannezo dell’Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Affascinato da un set di dati esposto durante una sessione di poster presso un gruppo di ricerca in ritiro collaborativo in Spagna, Corominas-Murtra ha avviato una vivace discussione con il collega ricercatore Dimitri Fabrèges, un postdoc del gruppo di ricerca del professor Takashi Hiiragi presso l’Hubrecht Institute di Utrecht, nei Paesi Bassi . Ciò che è iniziato come una conversazione si è ora trasformato in una pubblicazione su Science.
Il team internazionale di ricercatori ha creato un atlante completo della morfogenesi precoce dei mammiferi, il processo di sviluppo di forma e struttura di un organismo, analizzando come gli embrioni di topo, coniglio e scimmia si sviluppano nello spazio e nel tempo. Sulla base di questo atlante, vedono che singoli eventi come le divisioni cellulari e i movimenti sono altamente caotici, ma gli embrioni nel loro insieme finiscono per sembrare molto simili tra loro. Con questo set di dati, propongono un modello fisico che spiega come un embrione di mammifero costruisce la struttura dal caos.
Da uno a molti
Negli animali, lo sviluppo embrionale inizia quando una cellula uovo viene fecondata. Questo evento innesca una serie di divisioni cellulari consecutive, note come scissioni. In poche parole, una singola cellula si divide in due, poi due diventano quattro, quattro diventano otto e così via. Alla fine, la maggior parte delle cellule si forma in una struttura molto organizzata chiamata blastocisti, da cui si sviluppano tutti gli organi e i tessuti futuri. L’intero processo è definito morfogenesi.
“Questi primi passi dello sviluppo embrionale sono fondamentali, poiché preparano il terreno per tutti i successivi processi di sviluppo”, spiega Edouard Hannezo. In alcuni animali, ad esempio, in C. elegans, un ascaride trasparente e uno degli organismi modello più studiati dai biologi dello sviluppo, le divisioni nell’embrione precoce sono estremamente ben regolate e orientate allo stesso modo nei diversi embrioni, dando origine a organismi che hanno tutti lo stesso numero di cellule. Nelle specie di mammiferi, tuttavia, sembra che le divisioni siano molto più casuali, sia nei tempi che nell’orientamento. Ciò solleva la questione di come proceda lo sviluppo embrionale riproducibile dei mammiferi nonostante questo disturbo.
Una mappa dettagliata dell’embrione
Per rispondere a questa domanda, il gruppo Hiiragi ha deciso di creare immagini e analizzare quantitativamente molti embrioni diversi, per confrontare le loro somiglianze sia all’interno che tra diverse specie di mammiferi, dai topi ai conigli e alle scimmie. Dimitri Fabrèges e colleghi hanno creato una cosiddetta “morfomappa”, una mappa per visualizzare dati morfologici ad alta dimensione. “È una pipeline di analisi di imaging che mostra come si comportano gli embrioni nel tempo e nello spazio, un atlante preciso della morfogenesi di un embrione”, spiega Hannezo.
La mappa ha permesso agli scienziati di analizzare quantitativamente il processo di sviluppo affrontando questioni come la variabilità inter-embrionale dello sviluppo. Con questo set di dati, gli scienziati sono stati in grado di definire come appare la morfogenesi “normale”.
Fabrèges ha presentato la morfomappa al ritiro di laboratorio in Spagna. I dati hanno mostrato che le prime divisioni dopo la fecondazione non erano regolate nei topi, nei conigli e nelle scimmie. Le cellule si dividevano in modo casuale fino a raggiungere lo stadio a 8 cellule, uno stadio in cui tutti gli embrioni improvvisamente iniziavano ad avere lo stesso aspetto. “Dopo essere sembrati molto diversi nei primi stadi, gli embrioni sembravano convergere verso la forma l’uno dell’altro alla fine dello stadio a 8 cellule”, continua Hannezo. Ma come mai? Cosa porta la struttura a questo caos?
Un cubo di Rubik embrionale: il cluster di celle ottimizza il suo impacchettamento
Corominas-Murtra e Hannezo, entrambi fisici teorici, rimasero affascinati da questo set di dati e decisero di comprendere questo processo da un punto di vista teorico.
Tuttavia, la forma di un embrione è altamente complessa, rendendo difficile determinare cosa significhi che due embrioni siano simili o diversi. Gli scienziati hanno scoperto che potevano effettivamente approssimare la piena complessità della struttura di un embrione semplicemente studiando le configurazioni dei contatti cellula-cellula. “Pensiamo di poter ricavare la maggior parte dei dettagli importanti sulla morfologia di un embrione comprendendo la disposizione delle cellule o sapendo quali cellule sono fisicamente connesse, in modo simile alle connessioni in una rete sociale. Questo approccio semplifica notevolmente l’analisi dei dati e i confronti tra diversi embrioni”, afferma Corominas-Murtra.
Utilizzando queste informazioni, gli scienziati hanno creato un semplice modello fisico di come gli embrioni convergono verso una forma riproducibile. Il modello mostra che le leggi fisiche spingono gli embrioni a formare una morfologia specifica condivisa tra i mammiferi.
Destabilizzando la maggior parte delle disposizioni cellulari, eccetto alcune selettive che abbassano l’energia superficiale dell’embrione, le interazioni fisiche tra le cellule possono guidare la formazione verso una forma definita. In altre parole, le cellule tendono ad attaccarsi sempre di più e questo processo apparentemente semplice in realtà guida l’embrione attraverso successivi riarrangiamenti verso l’impacchettamento più ottimale. “È come se gli embrioni risolvessero il loro cubo di Rubik”, afferma Corominas-Murtra.
Nessun caos, nessuna struttura
I risultati forniscono uno sguardo dettagliato su come lo sviluppo degli embrioni di mammiferi sia governato da variabilità e robustezza. Senza caos, non c’è struttura; l’uno ha bisogno dell’altro. Entrambi sono parti essenziali di ciò che costituisce lo sviluppo “normale”. “Stiamo finalmente iniziando ad avere strumenti per analizzare la variabilità della morfogenesi, che è fondamentale per comprendere i meccanismi della robustezza dello sviluppo”, riassume Hannezo. “La casualità sembra essere una forza primaria nella generazione di complessità nel mondo vivente”, aggiunge Corominas-Murtra.
Acquisendo maggiori conoscenze su come appare la normalità, gli scienziati acquisiscono anche intuizioni sulle anomalie. Ciò può essere molto utile in settori quali la ricerca sulle malattie, la medicina rigenerativa o i trattamenti per la fertilità. In futuro, questa conoscenza può aiutare a selezionare l’embrione più sano per la fecondazione in vitro (FIV), migliorando così il tasso di successo dell’impianto.
Bernat Corominas-Murtra. Dopo il post-doc all’ISTA, lo scienziato è entrato come professore assistente presso l’Istituto di biologia dell’Università di Graz. © Nadine Poncioni/ISTA. Edouard Hannezo. Professore di ISTA e fisico teorico studia come le cellule si comportano nel posto e nel momento giusti durante lo sviluppo embrionale. © Anna Stöcher/ISTA
Pubblicazione: D. Fabrèges, B. Corominas Murtra, P. Moghe, A. Kickuth, T. Ichikawa, C. Iwatani, T. Tsukiyama, N. Daniel, J. Gering, A. Stokkermans, A. Wolny, A. Kreshuk, V .Duranthon, V. Uhlmann, E. Hannezo, T. Hiiragi. 2024. La variabilità temporale e la meccanica cellulare controllano la robustezza nell’embriogenesi dei mammiferi.
Informazioni sugli studi sugli animali: Per comprendere meglio i processi fondamentali, ad esempio nei campi della neuroscienza, dell’immunologia o della genetica, l’uso di animali nella ricerca è indispensabile. Nessun altro metodo, come i modelli in silico, può fungere da alternativa. Gli animali vengono allevati, tenuti e trattati secondo le rigide normative dei rispettivi paesi. La ricerca sugli animali è stata condotta nei Paesi Bassi.
Fonte: Institute of Science and Technology, Austria
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