Un modello matematico collega l'evoluzione di polli, pesci e rane.

6 dicembre 2023

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a cura di Michelle Franklin, Università della California - San Diego

Una delle domande fondamentali più durature della vita è: come accade? Ad esempio, nello sviluppo umano, come si auto-organizzano le cellule in pelle, muscoli o ossa? Come forniscono un cervello, un dito, una colonna vertebrale?

Anche se le risposte a tali domande rimangono sconosciute, una linea di indagine scientifica consiste nell'analizzare la gastrulazione, la fase in cui le cellule embrionali si sviluppano da uno strato singolo a una struttura multidimensionale con un asse corporeo principale. Negli esseri umani, la gastrulazione avviene circa 14 giorni dopo il concepimento.

Non è possibile studiare gli embrioni umani a questo stadio, quindi i ricercatori dell'Università della California San Diego, dell'Università di Dundee (Regno Unito) e dell'Università di Harvard hanno potuto studiare la gastrulazione negli embrioni di pollo, che presentano molte analogie con gli embrioni umani a questo stadio.

Questa ricerca è stata condotta attraverso quello che Mattia Serra, professore associato di fisica presso UC San Diego, definisce un loop ideale: una combinazione interdisciplinare, avanti e indietro, di scienza teorica e sperimentale. Mattia è un teorico interessato a individuare modelli emergenti in sistemi biofisici complessi.

In questo studio, lui e il suo team hanno sviluppato un modello matematico basato sul contributo dei biologi dell'Università di Dundee. Il modello è stato in grado di predire accuratamente i flussi di gastrulazione, il movimento di decine di migliaia di cellule nell'intero embrione di pollo, osservati al microscopio. È la prima volta che un modello matematico auto-organizzante è stato in grado di riprodurre questi flussi in embrioni di pollo.

I biologi volevano quindi verificare se il modello potesse non solo replicare ciò che si conosceva già sperimentalmente, ma anche predire ciò che potrebbe accadere in diverse condizioni. Il team di Serra ha "perturbato" il modello, ovvero ha modificato le condizioni iniziali o i parametri attuali.

I risultati sono stati sorprendenti: il modello ha generato flussi cellulari che non erano osservati naturalmente nel pollo, ma che erano osservati in altre due specie di vertebrati: la rana e il pesce.

Per assicurarsi che questi risultati non fossero una fantasia matematica del modello, i collaboratori in biologia hanno imitato le perturbazioni esatte del modello in laboratorio sull'embrione di pollo. Sorprendentemente, questi embrioni di pollo manipolati hanno mostrato flussi di gastrulazione che sono naturalmente osservati in pesce e rane.

Queste scoperte, pubblicate su Science Advances, suggeriscono che gli stessi principi fisici alla base dell'auto-organizzazione multicellulare possono essere evoluti tra le specie di vertebrati.

"Pesce, rane e polli vivono tutti in ambienti diversi, quindi nel tempo la pressione evolutiva potrebbe aver modificato i parametri e le condizioni iniziali dello sviluppo embrionale", ha dichiarato Serra. "Ma alcuni dei principi fondamentali dell'auto-organizzazione, almeno in questa fase precoce della gastrulazione, potrebbero essere gli stessi in tutti e tre".

Serra e i suoi collaboratori stanno ora studiando altri meccanismi che danno origine a modelli di auto-organizzazione a livello embrionale. Sperano che questa ricerca possa contribuire al progresso della progettazione di biomateriali e della medicina rigenerativa per aiutare gli esseri umani a vivere più a lungo e in salute.

"Il corpo umano è il sistema dinamico più complesso che esista", ha affermato. "Ci sono così tante domande interessanti di tipo biologico, fisico e matematico sul nostro corpo: è bello rifletterci. Non c'è mai fine alle scoperte che possiamo fare".

Fornito da: Università della California - San Diego