La gastrulazione è una delle fasi più importanti nello sviluppo embrionale iniziale. Prima della gastrulazione, gli embrioni dei vertebrati sono semplici fogli bidimensionali di cellule. Entro la fine della gastrulazione, un embrione avrà iniziato a differenziare tipi cellulari distinti, a definire gli assi fondamentali del corpo e a interiorizzare alcuni dei precursori degli organi in una struttura tridimensionale. Gli amnioti, come i polli e gli esseri umani, avranno sviluppato una striscia primitiva, il precursore del cervello e della pelle, mentre i pesci e gli anfibi avranno sviluppato un blastopore di forma sferica.
La gastrulazione è un’impresa di auto-organizzazione, che richiede movimenti coordinati come un balletto di centinaia o decine di migliaia di cellule. Ma, nonostante la sua importanza nello sviluppo, gli scienziati comprendono solo parzialmente i meccanismi sottostanti che coordinano questo movimento di cellule su larga scala.
Ora un team di ricercatori di Harvard, dell’Università della California a San Diego e dell’Università di Dundee nel Regno Unito, ha sviluppato un quadro teorico in grado di riprodurre e prevedere i modelli associati alla gastrulazione in un embrione di pollo.
Basandosi sui risultati sperimentali pubblicati all’inizio di quest’anno in Progressi scientifici, e utilizzando una combinazione di teoria ed esperimento, i ricercatori hanno dimostrato che piccoli cambiamenti nei parametri e nel comportamento delle cellule possono avere un impatto drammatico sui risultanti modelli di gastrulazione.
La nuova ricerca è stata pubblicata anche su Progressi della scienza.
“Collegare i processi di sviluppo alla base della morfogenesi in un organismo alle variazioni di questi stessi processi nel corso dell’evoluzione è una vecchia questione in biologia”, ha affermato L. Mahadevan, professore di matematica applicata di Lola England de Valpine presso la Harvard John A. Paulson School of Ingegneria e Scienze Applicate (SEAS), Professore di Biologia Organismica ed Evoluzionistica e di Fisica presso la Facoltà di Lettere e Scienze (FAS) e autore senior dell’articolo. “Allontanandoci dall’attenzione molecolare gene-centrica su questa domanda, abbiamo chiesto se esistono principi biofisici emergenti che operano a livello multicellulare e possono aiutare a spiegare i modelli di gastrulazione auto-organizzati sia da una prospettiva di sviluppo che da una prospettiva evolutiva.”
Lavorando a stretto contatto con gli sperimentali, i ricercatori hanno sviluppato un modello teorico e computazionale in grado di ricreare il movimento dello strato epiteliale delle cellule negli embrioni di pulcino durante la gastrulazione. Il team ha quindi identificato due parametri, uno relativo alla distribuzione iniziale delle cellule in un embrione e l’altro relativo al comportamento cellulare, da modificare durante la gastrulazione.
“Quando abbiamo modificato questi due parametri nel modello, che era basato solo sui meccanismi di sviluppo dei pulcini, ha mostrato in modo notevole modelli di gastrulazione naturalmente osservati in altre specie”, ha affermato Mattia Serra, primo autore dell’articolo ed ex ricercatore di Schmidt Science presso lo studio. Gruppo Mahadevan.
Serra è un professore assistente di fisica presso l’UC San Diego.
Coerentemente con i risultati computazionali, gli esperimenti mostrano che la perturbazione degli stessi parametri in vivo in un embrione di pulcino ha fatto sì che il pulcino formasse un blastoporo a forma di disco, visto nelle rane, una striscia primitiva circolare simile ad un anello, come quelle viste nei pesci, o una striscia ellittica allungata simile a un canale vista nel camaleonte.
“Il nostro lavoro suggerisce che i principi biofisici generali alla base dei flussi e delle forze auto-organizzate attive durante l’embriogenesi hanno il potere di spiegare i processi di sviluppo e le loro variazioni evolutive tra diverse specie di vertebrati”, ha affermato Mahadevan.
“Siamo rimasti sorpresi nel vedere come semplici regole meccanochimiche potessero prevedere flussi coerenti altamente distinti di migliaia di cellule misurate in un embrione di pulcino vivente”, ha affermato Serra.
Questa ricerca non solo fa luce sui principi dell’auto-organizzazione nelle prime fasi dello sviluppo, ma potrebbe anche aiutare i ricercatori a comprendere la storia evolutiva dei processi di sviluppo e suggerire modi per controllare lo sviluppo degli organoidi sintetici.
Questa ricerca ha esaminato le prime fasi dello sviluppo, quando l’embrione si sta trasformando da due dimensioni a tre. Successivamente, Mahadevan vuole capire cosa succede quando l’embrione inizia a piegarsi e deformarsi per creare forme più complesse di organi e infine di interi organismi.
“Utilizzando la nostra conoscenza dei processi di sviluppo a livello molecolare e cellulare, speriamo infine di fornire un quadro integrato su come le cellule si trasformano in tessuti e i tessuti in organi, verso una migliore comprensione della morfogenesi”, ha affermato Mahadevan.
Questa ricerca è stata scritta in collaborazione da Guillermo Serrano Nájera, Manli Chuai e Cornelis J. Weijer dell’Università di Dundee, Alex M. Plum e Sreejith Santhosh dell’Università della California a San Diego e Vamsi Spandan della SEAS. È stato sostenuto in parte dalla Schmidt Science Foundation, dalla Hellman Foundation, dal NSF-Simons Center for Mathematical and Statistical Analysis of Biology con il premio 1764269, dal National Institutes for Health con la sovvenzione 1R01HD097068, dalla Simons Foundation e dal Fondo Henri Seydoux.
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