Come le forze deboli deformano le membrane cellulari

Proiezioni simili a spine, lunghi flagelli o fibre, sporgenze deformi: Le cellule biologiche possono formare quasi tutte le strutture di membrana complesse. Le cellule utilizzano queste strutture per percepire gli stimoli esterni, entrare in contatto con altre cellule o esplorare il loro ambiente.

Per creare forme così diverse sono necessarie forze locali che agiscono sulla membrana cellulare dall'interno. Nelle cellule, ad esempio, i componenti del citoscheletro come i filamenti di actina o i microtubuli esercitano tali forze sulla membrana. Tuttavia, anche i batteri patogeni che invadono le cellule possono produrre fenomeni simili. Questo è noto, ad esempio, per la listeria, l'agente patogeno che causa l'infiammazione intestinale. Deformando la membrana, i batteri riuscirebbero infine a infettare anche le cellule sane vicine.

Affascinante deformabilità

Gli scienziati sono anche affascinati dalla reazione meccanica di queste membrane lipidiche, che formano un involucro stabile che regola le interazioni della cellula con l'ambiente, ma sono anche deformabili. La questione delle speciali proprietà meccaniche di queste membrane è di interesse sia pratico che fondamentale, soprattutto dal punto di vista della scienza ed ingegneria dei materiali.

Da tempo i ricercatori utilizzano grandi vescicole circondate da una doppia membrana lipidica per studiare questi processi. Un sistema semplice e diretto che imita le cellule biologiche. Finora non è stato possibile controllare le forze che agiscono dall'interno di queste vescicole e che portano alle strutture osservate nelle cellule naturali.

Particelle semoventi come soluzione

Un gruppo di ricercatori guidati da Jan Vermant, professore di materiali morbidi all'ETH di Zurigo, ha ora trovato una soluzione a questo problema finora irrisolto. Hanno riempito le vescicole con particelle delle dimensioni di un micrometro che possono muoversi autonomamente all'interno della vescicola. Esse si scontrano casualmente con la membrana, generando forze locali che portano alla formazione di flagelli, antenne e altre strutture.

"Non solo siamo riusciti a creare un sistema artificiale altamente semplificato che imita molto bene le cellule", afferma Rao Vutukuri, borsista Marie Curie del gruppo di Vermant. "Grazie a questo approccio, siamo anche riusciti a chiarire la fisica e la meccanica dei materiali delle membrane costituite da doppi strati lipidici". Lo studio corrispondente è stato appena pubblicato sulla rivista scientifica pagina esternaLa natura pubblicato. Vutukuri è il primo autore.

In collaborazione con i ricercatori del Centro di ricerca di Jülich (Germania), i ricercatori dell'ETH hanno anche combinato i loro esperimenti con simulazioni al computer per comprendere meglio l'esatto meccanismo alla base delle deformazioni della membrana. Ciò ha permesso di dimostrare come le particelle semoventi diano origine a una varietà di forme insolite. Le osservazioni degli esperimenti e delle simulazioni sono risultate in buon accordo.

Le particelle innescano la diversità di forma

Entrambi mostrano: Le particelle colpiscono inizialmente la membrana delle vescicole in punti casuali, innescando effetti simili a quelli della listeria in una cellula reale. Il punto in cui una particella colpisce deforma localmente la membrana, attirando altre particelle. La membrana si rigonfia sempre di più e presto si formano proiezioni simili a punte o flagelli.

Tuttavia, la deformazione delle vescicole dipende da quanto sono riempite di particelle. "In questo caso, meno è meglio", spiega Vutukuri. Più particelle contenevano le vescicole, meno la membrana reagiva alle forze puntuali esercitate dalle particelle. Una quantità di riempimento del tre per cento, invece, era ottimale e portava alla formazione delle strutture di membrana più folli. Queste deformazioni possono anche essere invertite. "Il sistema è molto dinamico", afferma Vutukuri. "Le transizioni di forma ora possono persino essere previste".

"Anche se le nostre vescicole non riflettono pienamente la complessità di una cellula reale, il modo in cui una struttura auto-organizzata come la membrana reagisce a grandi deformazioni locali è affascinante. La loro reazione alle forze attive è stata finora sottovalutata", afferma l'ETH Professor Vermant. I ricercatori del Fare all'ETH sono convinti che lo studio apra la strada allo sviluppo di nuovi sistemi di membrane artificiali, cellule artificiali o minuscoli robot fatti di materiali morbidi.