Le cellule ostinate

16 giugno 2001

Nei delicati meccanismi biologici accade spesso di assistere ad alcuni fenomeni che sembrano prodotti dal caso. Anche il movimento di crescita cellulare se osservato a livello microscopico appare molto simile a quanto si verifica per esempio nei movimenti fluidodinamici che producono delle turbolenze: basti pensare alle scie di gas che fuoriescono dalle turbine degli aerei, dalle marmitte delle automobili oppure da una comunissima pentola a pressione. Tuttavia le cellule in moto nel loro percorso di crescita cambiano direzione meno spesso del previsto ed il loro movimento che potrebbe sembrare ostinato gioca in realtà un ruolo centrale nei processi morfogenetici e di cicatrizzazione delle ferite.
Due ricercatori tedeschi sostengono oggi di poter spiegare questa tenace perseveranza. La determinazione apparente delle cellule di spingere in avanti deriva spontaneamente dal loro sistema di propulsione proteica, piuttosto che da un meccanismo centrale separato, dicono i biofisici Ralf Sambeth e Arthur Baumgaertner del Forschungszentrum di Jülich. ¹
Proprio come non si può costruire una casa gettando alla rinfusa i mattoni l’uno sull’altro, così non si potrà ottenere un organismo pluricellulare come quello di una persona senza mettere le cellule attentamente al posto giusto. Le cellule però, a differenza dei mattoni, si muovono da sole.
Per molto tempo si riteneva che le cellule fossero omogenee nel loro interno, ma la scoperta di una serie di organelli membranosi modifica tale rappresentazione interpretando gli organelli come strutture sospese in un citoplasma più o meno omogeneo e privo di struttura. Ma è soprattutto nel corso degli ultimi decenni che le osservazioni al microscopio elettronico mostrano un citoplasma tutt’altro che informe od omogeneo. Le cellule eucariote contengono una ricca trama di sistemi filamentosi, collettivamente chiamati citoscheletro, che creano la forma, generano il movimento ed integrano l’attività degli altri organelli. Alcune ragioni hanno rallentato la scoperta di tali strutture semplicemente perché alcune componenti del citoscheletro sono così tenui che venivano facilmente mascherate da strutture di più grandi dimensioni, inoltre esse si degradano facilmente quando la cellula viene uccisa e preparata per l’esame microscopico.
I principali componenti del citoscheletro sono microfilamenti e microtubuli di pochi nanometri di diametro formati da molecole proteiche (tra le più diffuse troviamo la tubulina, l’actina e la miosina).
Gli scienziati parlano di una "cinetica della polimerizzazione autocatalitica" della rete di actina del citoscheletro, che fornisce il meccanismo di base per il cammino casuale costante di una cellula che procede lentamente. Le ricerche mostrano che il rimodellamento a rete dei processi di ramificazione vicino alla membrana cellulare è essenziale per la stabilità spaziale bimodale della rete che induce una spontanea rottura del movimento cellulare isotropico.
In altre parole, le molecole di actina simili a gocce, si legano insieme (polimerizzazione) come perle di una collana, formando filamenti di actina, che durante la crescita spingono contro la membrana. Se i filamenti sono troppo lunghi, diventano troppo flessibili per esercitare molta forza. Per impedire che ciò avvenga, essi ripetutamente si dividono in due quando si avvicinano alla membrana, creando una densa rete di corti rami come quelli di un albero. Siccome i legami tra le sub-unità di actina e le diramazioni dei filamenti sono casuali, dovremmo aspettarci che le spinte sulla membrana della cellula siano semplicemente altrettanto casuali. Ma Sambeth e Baumgaertner, usando un modello di simulazione al computer del processo in analisi, ci mostrano che la spinta tenderà a rimanere nella stessa direzione per lunghi periodi di tempo, prima di trasformarsi in casuale. Questo perché la polimerizzazione di actina alle terminazioni dei filamenti vicini alla membrana è di tipo auto-amplificante: più si verifica più viene stimolata. Tale meccanismo aumenta le probabilità per il filamento di crescere e ramificarsi nella direzione corrente piuttosto che in altre direzioni casuali, così i cambiamenti diventano più rari.
Alla scala microscopica, il movimento casuale è la norma. E’ facile che in un oggetto piccolo come una cellula si producano dei movimenti casuali: i grani di polline sospesi nell’acqua si muoveranno a caso, come se sferzati dai movimenti dell’acqua.
Il movimento casuale delle cellule unito alla loro riluttanza a cambiare direzione è chiamato "cammino casuale costante" e sembra sia una caratteristica essenziale del modo in cui le cellule procedono lentamente verso le loro corrette posizioni.

© Alessandro Mura

NOTE:

¹ - Sambeth, R. & Baumgaertner, A. Autocatalytic polymerization generates persistent random walk of crawling cells. Physical Review Letters , 86, 5196-5199 (2001). back