La misteriosa danza degli embrioni del grillo

A giugno, 100 scienziati della mosca della frutta si sono riuniti sull’isola greca di Creta per il loro incontro biennale. Tra loro c’era Cassandra Extavour, una genetista canadese dell’Università di Harvard. Il suo laboratorio lavora con i moscerini della frutta per studiare l’evoluzione e lo sviluppo – “evo devo”. Molto spesso, tali scienziati scelgono come loro “organismo modello” la specie Drosophila melanogaster, un cavallo da tiro alato che ha servito come collaboratore di insetti su almeno alcuni premi Nobel per la fisiologia e la medicina.

Ma il dott. Extavour è anche noto per coltivare specie alternative come organismi modello. È particolarmente appassionata del cricket, in particolare del Gryllus bimaculatus, il grillo da campo a due macchie, anche se non gode ancora di nulla vicino al seguito del moscerino della frutta. (Circa 250 investigatori principali avevano chiesto di partecipare alla riunione a Creta.)

“È pazzesco”, ha detto durante una videointervista dalla sua camera d’albergo, mentre spazzava via uno scarafaggio. “Se provassimo a incontrare tutti i capi di laboratorio che lavorano su quella specie di grilli, potremmo essere in cinque, o 10”.

I grilli sono già stati arruolati in studi sugli orologi circadiani, la rigenerazione degli arti, l’apprendimento, la memoria; sono serviti come modelli di malattie e fabbriche farmaceutiche. Veri matematici, grilli! Sono anche sempre più popolari come cibo, ricoperti di cioccolato e non. Da una prospettiva evolutiva, i grilli offrono maggiori opportunità per conoscere l’ultimo antenato comune degli insetti; hanno più tratti in comune con altri insetti rispetto ai moscerini della frutta. (In particolare, gli insetti costituiscono più dell’85% delle specie animali).

dott La ricerca di Extavour punta ai fondamenti: come funzionano gli embrioni? E cosa potrebbe rivelare su come è nato il primo animale? Ogni embrione animale segue un percorso simile: una cellula diventa molte, quindi si dispongono in uno strato sulla superficie dell’uovo, fornendo un primo progetto per tutte le parti del corpo adulto. Ma come fanno le cellule dell’embrione – cellule che hanno lo stesso genoma ma non fanno tutte la stessa cosa con quell’informazione – sanno dove andare e cosa fare?

“Questo è il mistero per me”, il dott. Eccitazione ha detto. “È sempre lì che voglio andare.”

Seth Donoughe, biologo e scienziato dei dati presso l’Università di Chicago ed ex allievo del Dr. Il laboratorio di Extavour, ha descritto l’embriologia come lo studio di come un animale in via di sviluppo crea “le parti giuste al posto giusto al momento giusto”. In una nuova ricerca che presenta video meravigliosi dell’embrione di grillo – che mostra alcune “parti giuste” (i nuclei cellulari) che si muovono in tre dimensioni – il dott. Exavor, dott. Donoughe e i loro colleghi hanno scoperto che la buona geometria vecchio stile gioca un ruolo da protagonista.

Gli esseri umani, le rane e molti altri animali ampiamente studiati iniziano come una singola cellula che si divide immediatamente ancora e ancora in cellule separate. Nei grilli e nella maggior parte degli altri insetti, inizialmente solo il nucleo cellulare si divide, formando molti nuclei che viaggiano attraverso il citoplasma condiviso e solo successivamente formano le proprie membrane cellulari.

Nel 2019, Stefano Di Talia, biologo dello sviluppo quantitativo alla Duke University, ha studiato il movimento dei nuclei nel moscerino della frutta e ha mostrato che sono trasportati da flussi pulsanti nel citoplasma, un po’ come foglie che viaggiano sui vortici di un lento -flusso in movimento.

Ma qualche altro meccanismo era al lavoro nell’embrione del grillo. I ricercatori hanno trascorso ore a osservare e analizzare la danza microscopica dei nuclei: protuberanze luminose che si dividono e si muovono in uno schema sconcertante, non del tutto ordinate, non del tutto casuali, a diverse direzioni e velocità, i nuclei vicini più sincronizzati di quelli più lontani. La performance credeva in una coreografia al di là della semplice fisica o chimica.

“Le geometrie che i nuclei vengono ad assumere sono il risultato della loro capacità di percepire e rispondere alla densità di altri nuclei vicini a loro”, ha affermato il dott. Eccitazione ha detto. dott Di Talia non è stato coinvolto nel nuovo studio, ma lo ha trovato commovente. “È un bellissimo studio di un bellissimo sistema di grande rilevanza biologica”, ha detto.

I ricercatori del cricket all’inizio hanno adottato un approccio classico: guardare da vicino e prestare attenzione. “L’abbiamo appena visto”, ha detto il dott. Eccitazione ha detto.

Hanno girato video utilizzando un microscopio a foglio a luce laser: le istantanee hanno catturato la danza dei nuclei ogni 90 secondi durante le prime otto ore di sviluppo dell’embrione, durante le quali circa 500 nuclei si erano accumulati nel citoplasma. (I grilli si schiudono dopo circa due settimane.)

Tipicamente, il materiale biologico è traslucido e difficile da vedere anche con il microscopio più truccato. Ma Taro Nakamura, allora post-dottorato nel Dr. Il laboratorio di Extavour, ora biologo dello sviluppo presso il National Institute for Basic Biology di Okazaki, in Giappone, aveva progettato un ceppo speciale di grilli con nuclei che brillavano di un verde fluorescente. come il dott Nakamura ha raccontato che quando ha registrato lo sviluppo dell’embrione i risultati sono stati “sbalorditivi”.

Quello è stato “il punto di partenza” per il processo esplorativo, il dott. ha detto Donough. Ha parafrasato un’osservazione a volte attribuita all’autore di fantascienza e professore di biochimica Isaac Asimov: “Spesso non dici ‘Eureka!’ quando scopri qualcosa, stai dicendo: ‘Huh. Quello è strano.'”

Inizialmente i biologi hanno guardato i video in loop, proiettati sullo schermo di una sala conferenze, l’equivalente del cricket di IMAX, considerando che gli embrioni sono circa un terzo delle dimensioni di un chicco di riso (a chicco lungo). Hanno cercato di rilevare i modelli, ma i set di dati erano travolgenti. Avevano bisogno di più perizia quantitativa.

dott Donoughe contattò Christopher Rycroft, un matematico applicato ora all’Università del Wisconsin-Madison, e gli mostrò i nuclei danzanti. ‘Oh!’ dott ha detto Rycroft. Non aveva mai visto niente di simile, ma ha riconosciuto il potenziale per una collaborazione basata sui dati; lui e Jordan Hoffmann, allora dottorando in Dr. Il laboratorio di Rycroft, si è unito allo studio.

Nel corso di numerose proiezioni, il team di matematica e biografia ha riflettuto su molte domande: quanti nuclei c’erano? Quando hanno iniziato a dividersi? In che direzione stavano andando? Dove sono finiti? Perché alcuni sfrecciavano e altri strisciavano?

dott Rycroft lavora spesso al crocevia della vita e delle scienze fisiche. (L’anno scorso ha pubblicato sulla fisica dell’accartocciamento della carta.) “Matematica e fisica hanno avuto molto successo nel derivare regole generali che si applicano ampiamente e questo approccio può anche aiutare in biologia”, ha detto; dott Extavour ha detto lo stesso.

Il team ha passato molto tempo a far girare idee su una lavagna bianca, spesso disegnando immagini. Il problema ha ricordato al dott. Rycroft di un diagramma di Voronoi, una costruzione geometrica che divide uno spazio in sottoregioni non sovrapposte: poligoni o celle di Voronoi, ciascuna emanata da un seme. È un concetto versatile che si applica a cose diverse come gli ammassi di galassie, le reti wireless e il modello di crescita delle chiome delle foreste. (I tronchi degli alberi sono i punti del seme e le corone sono le cellule di Voronoi, che si coccolano strettamente ma non si scontrano l’una con l’altra, un fenomeno noto come timidezza della corona.)

Nel contesto del cricket, i ricercatori hanno calcolato la cellula di Voronoi che circonda ciascun nucleo e hanno osservato che la forma della cellula aiutava a prevedere la direzione in cui il nucleo si sarebbe mosso successivamente. Fondamentalmente, il dott. Donoughe ha detto: “I nuclei tendevano a spostarsi nello spazio aperto vicino”.

La geometria, ha osservato, offre un modo astratto di pensare alla meccanica cellulare. “Per la maggior parte della storia della biologia cellulare, non abbiamo potuto misurare o osservare direttamente le forze meccaniche”, ha detto, anche se era chiaro che “motori, schiacciamenti e spinte” erano in gioco. Ma i ricercatori potrebbero osservare modelli geometrici di ordine superiore prodotti da queste dinamiche cellulari. “Quindi, pensando alla spaziatura delle cellule, alle dimensioni delle cellule, alle forme delle cellule, sappiamo che provengono da vincoli meccanici su scale molto sottili”, ha affermato il dott. ha detto Donough.

Per estrarre questo tipo di informazioni geometriche dai video di cricket, il Dr. Donough e il dott. Hoffmann ha tracciato i nuclei passo dopo passo, misurando posizione, velocità e direzione.

“Questo non è un processo banale e finisce per coinvolgere molte forme di visione artificiale e apprendimento automatico”, ha affermato il dott. Hoffmann, un matematico applicato ora a DeepMind a Londra, ha detto.

Hanno anche verificato manualmente i risultati del software, facendo clic su 100.000 posizioni, collegando i lignaggi dei nuclei attraverso lo spazio e il tempo. dott Hoffmann lo trovava noioso; dott Donoughe pensava che fosse un videogioco, “zoom ad alta velocità attraverso il minuscolo universo all’interno di un singolo embrione, cucendo insieme i fili del viaggio di ogni nucleo”.

Successivamente hanno sviluppato un modello computazionale che ha testato e confrontato ipotesi che potrebbero spiegare i movimenti e il posizionamento dei nuclei. Tutto sommato, hanno escluso i flussi citoplasmatici che il Dr. Di Talia ha visto nel moscerino della frutta. Hanno scoperto il movimento casuale e l’idea che i nuclei si separassero fisicamente l’un l’altro.

Invece, sono arrivati ​​a una spiegazione plausibile basandosi su un altro meccanismo noto negli embrioni di moscerini della frutta e nematodi: motori molecolari in miniatura nel citoplasma che estendono gruppi di microtubuli da ciascun nucleo, non diversamente da una volta di una foresta.

Il team ha proposto che un tipo simile di forza molecolare attirasse i nuclei dei grilli in uno spazio non occupato. “Le molecole potrebbero essere microtubuli, ma non lo sappiamo per certo”, ha affermato il dott. Extavour ha detto in una e-mail. “Dovremo fare più esperimenti in futuro per scoprirlo”.

Questa odissea nel cricket non sarebbe completa senza menzionare il Dr. Il “dispositivo di costrizione dell’embrione” su misura di Donoughe, che ha costruito per testare varie ipotesi. Ha replicato una tecnica della vecchia scuola, ma è stato motivato dal lavoro precedente con il Dr. Extavour e altri sull’evoluzione delle dimensioni e delle forme delle uova.

Questo aggeggio ha permesso al Dr. Donoughe per eseguire il complicato compito di avvolgere un capello umano attorno all’uovo di grillo, formando così due regioni, una contenente il nucleo originale, l’altra un allegato parzialmente pizzicato.

Quindi, i ricercatori hanno nuovamente guardato la coreografia nucleare. Nella regione originaria, i nuclei hanno rallentato una volta raggiunta una densità affollata. Ma quando alcuni nuclei sgattaiolarono attraverso il tunnel alla costrizione, accelerarono di nuovo, scatenandosi come cavalli al pascolo aperto.

Questa era la prova più evidente che il movimento dei nuclei fosse governato dalla geometria, ha affermato il dott. Donoughe ha detto, e “non è controllato da segnali chimici globali, o flussi o praticamente tutte le altre ipotesi là fuori per ciò che potrebbe plausibilmente coordinare il comportamento di un intero embrione”.

Alla fine dello studio, il team aveva accumulato più di 40 terabyte di dati su 10 dischi rigidi e aveva perfezionato un modello geometrico computazionale che si aggiungeva alla cassetta degli attrezzi del cricket.

“Vogliamo rendere gli embrioni di cricket più versatili con cui lavorare in laboratorio”, ha affermato il dott. Extavour ha detto — cioè più utile nello studio di ancora più aspetti della biologia.

Il modello può simulare uova di qualsiasi dimensione e forma, rendendolo utile come “banco di prova per altri embrioni di insetti”, ha affermato il dott. Eccitazione ha detto. Ha notato che ciò consentirà di confrontare specie diverse e approfondire la storia evolutiva.

Ma la più grande ricompensa dello studio, concordano tutti i ricercatori, è stato lo spirito collaborativo.

“C’è un luogo e un tempo per la conoscenza specializzata”, ha affermato il dott. Eccitazione ha detto. “Altrettanto spesso nella scoperta scientifica, dobbiamo esporci a persone che non sono così coinvolte come lo siamo noi in un risultato particolare”.

Le domande poste dai matematici erano “prive di ogni sorta di pregiudizi”, il dott. Eccitazione ha detto. “Queste sono le domande più eccitanti.”