Un modello computerizzato per studiare lo sviluppo dei tessuti

Pelle - Foto di Christine LandisLa divisione cellulare nei sistemi multicellulari assume un comportamento che solo apparentemente è casuale. Attraverso un sistema computerizzato è possibile ottenere una mappa di come si potrebbero dividere alcuni gruppi di cellule e fornire le basi per imitare in modo artificiale questi complessi comportamenti biologici.

Un gruppo di scienziati della Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ha sviluppato un sistema per studiare l’assetto dei network di tessuti attraverso la divisione cellulare e ha pubblicato i risultati della ricerca sulla rivista PLoS Computational Biology.

I ricercatori hanno valutato numerosi meccanismi di divisione cellulare in diversi organismi tra cui il moscerino della frutta (Drosophila melanogaster Meigen) e alcune piante.

“Abbiamo sviluppato un modello che ci permette di studiare la topologia dei tessuti o come le cellule si connettono tra loro. In questo modo potremo capire come questi network di connettività cellulari vengono creati mediante divisione cellulare. Data una certa strategia di divisione cellulare, anche se le cellule si dividono in modo casuale, esistono particolari segni indicatori a livello tissutale che consentono il riconoscimento da parte del modello” spiega Radhika Nagpal, assistente professore di scienze informatiche presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences e membro del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering.

Usando il modello computerizzato, Nagpal e colleghi hanno dimostrato che la regolarità dei tessuti, rappresentabile dalla percentuale di esagoni e dall’intero aspetto della distribuzione cellulare, può agire come indicatore per capire le proprietà dei meccanismi di divisione cellulare.

Nei tessuti epiteliali di numerosi organismi, dalla Drosofila all’uomo, la capacità di far fronte a variazioni imprevedibili è un fattore critico per il normale sviluppo. La crescita rapida comporta una intensa divisione cellulare e tale processo deve essere bilanciato da un’adeguata regolazione dell’intero tessuto affinché venga mantenuta la robustezza.

“Perfino con i moderni metodi di imaging è difficile capire in che modo avverrà la divisione cellulare. Lo strumento informatico ci consente di formulare ed eliminare una serie di ipotesi riguardo alla divisione cellulare. Partendo dall’assetto finale del tessuto è possibile formulare ipotesi sul tipo di assemblaggio che è stato usato” spiega Nagpal.

Questo modello getta nuova luce su un’altra scoperta fatta dallo stesso team di ricercatori: numerosi epiteli proliferativi, dalle piante alle rane, mostrano una distribuzione cellulare molto simile, quasi identica.

I motivi non sono ancora stati chiariti sebbene gli autori suggeriscono che l’elevata regolarità osservata in natura richiede una forte correlazione tra come cellule vicine vanno in contro a divisione.

Piante e moscerini della frutta sembra abbiano conservato la forma della distribuzione cellulare. Tali organismi, in base alle prove sperimentali e al modello computerizzato, sviluppano modi diversi per raggiungere questo schema.

“Questo lavoro offre un buon esempio di come lo sviluppo biologico possa trarre vantaggio da processi locali e casuali allo scopo di creare robusti sistemi su grande scala. Le cellule reagiscono in base al contesto locale, ma riescono a creare organismi con un’incredibile prevedibilità globale” afferma Nagpal.

Gli sviluppi futuri prevedono l’impiego del modello per individuare e studiare diverse mutazioni che agiscono negativamente sul processo di divisione cellulare nei tessuti epiteliali.

Il tessuto epiteliale è comune in tutto il regno animale e forma importanti strutture nell’organismo umano, dalla pelle al rivestimento interno degli organi.
Variazioni rispetto alla normale divisione cellulare possono comportare crescita anomala durante le prime fasi dello sviluppo e alla formazione di tumori negli individui adulti.

“Un giorno potremmo perfino usare il modello per capire altri tipi di network cellulari naturali, dai tessuti alle formazioni geologiche e, prendendo spunto dalla biologia, creare network informatici più robusti” afferma Nagpal.