La divisione cellulare è uno dei processi più fondamentali della biologia, eppure la comprensione dei suoi meccanismi nelle fasi più precoci dello sviluppo embrionale rimane incompleta, soprattutto per quanto riguarda gli animali ovipari. Un gruppo di ricercatori del Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) della TU Dresden University of Technology ha ora identificato un meccanismo fino ad oggi sconosciuto che consente alle cellule embrionali di grandi dimensioni di dividersi senza formare un anello contrattile completo, struttura che la biologia cellulare tradizionale considerava indispensabile per la citochinesi. I risultati, pubblicati sulla rivista Nature, ridisegnano una parte importante della biologia dello sviluppo e aprono nuove prospettive sulla fisica dei processi vitali.
Il modello consolidato della divisione cellulare prevede la formazione di un anello di actina nella zona equatoriale della cellula: questa struttura si stringe progressivamente, come il cordone di una borsa, fino a separare la cellula madre in due cellule figlie. Questo modello, detto a cinghia contrattile, funziona efficacemente nella maggior parte degli organismi, ma lascia senza risposta una domanda cruciale: come si dividono le cellule embrionali di dimensioni eccezionali, come quelle di squali, platipus, uccelli e rettili? In questi organismi, la presenza di un voluminoso sacco vitellino impedisce fisicamente all'anello di actina di chiudersi completamente, rendendo inapplicabile il modello classico.
Per rispondere a questa domanda, il gruppo guidato da Jan Brugués ha scelto come sistema modello gli embrioni di zebrafish (Danio rerio), che nelle prime fasi dello sviluppo presentano cellule ricche di tuorlo e di grandi dimensioni, e che possono essere osservati in tempo reale grazie alla loro trasparenza. Come spiegato da Alison Kickuth, dottoranda appena laureata e prima autrice dello studio: «Con una quantità così grande di tuorlo nella cellula embrionale, esiste un vincolo geometrico. Come può una banda contrattile, con estremità libere, rimanere stabile e generare forza sufficiente per dividere queste cellule enormi?»
Per rispondere a questa domanda, il team ha impiegato un laser di precisione per recidere chirurgicamente la banda di actina durante la contrazione. Il risultato fu inaspettato: anche dopo il taglio, la banda continuava a spostarsi verso l'interno della cellula. Questo comportamento indicava che la struttura non dipendeva unicamente dall'ancoraggio alle sue estremità, ma era sostenuta lungo tutta la sua lunghezza da un supporto distribuito. L'attenzione dei ricercatori si è quindi spostata sui microtubuli, un altro componente fondamentale del citoscheletro.
Osservando gli embrioni di zebrafish, il team ha notato che i microtubuli si piegavano e si ridistribuivano quando la banda di actina veniva tagliata, suggerendo un ruolo attivo nel sostenerne la stabilità meccanica. Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno adottato due approcci complementari: da un lato, hanno indotto chimicamente la depolimerizzazione dei microtubuli, impedendone la formazione; dall'altro, hanno inserito fisicamente una gocciolina di olio come ostacolo meccanico. In entrambi i casi, la banda di actina collassava in assenza di microtubuli funzionanti, confermando il loro ruolo di supporto strutturale e di segnalazione durante la contrazione.
Un aspetto centrale della ricerca riguarda la variazione delle proprietà meccaniche del citoplasma nel corso del ciclo cellulare. Dopo la separazione del DNA nella fase M, grandi strutture di microtubuli denominate aster si espandono nel citoplasma; durante l'interfase successiva, questi aster contribuiscono a determinare la posizione futura della banda di actina. Per misurare concretamente le variazioni di rigidità del citoplasma, i ricercatori hanno inserito all'interno delle cellule delle microsfere magnetiche, tracciandone i movimenti sotto l'azione di una forza magnetica controllata: una tecnica raffinata di micreologia passiva che ha permesso di quantificare le variazioni delle proprietà viscoelastiche in diverse fasi del ciclo.
I dati raccolti hanno rivelato che durante l'interfase il citoplasma diventa più rigido, formando un'impalcatura che stabilizza la banda di actina. Durante la fase M, al contrario, il citoplasma si fluidifica, consentendo alla banda di avanzare verso l'interno tra le due cellule figlie in formazione. Questo ciclo alternato di rigidità e fluidità si è rivelato centrale per comprendere come avvenga la divisione in questi sistemi particolari.
Rimase però un interrogativo aperto: se il citoplasma diventa fluido durante la fase M, in che modo la banda di actina evita di collassare completamente? Tracciando nel tempo le estremità della banda, i ricercatori hanno osservato che essa diventa effettivamente instabile durante la fase M, ma non si rompe del tutto. La sua parziale retrazione viene "salvata" dalla rapidità con cui si susseguono i cicli cellulari embrionali precoci. Quando la cellula entra nella successiva interfase e gli aster si riformano, il citoplasma si irrigidisce nuovamente e stabilizza la banda, che riprende la sua progressione verso l'interno nel ciclo successivo.
Questo schema ripetuto di instabilità temporanea seguito da restabilizzazione funziona come un cricchetto meccanico: la divisione avanza gradualmente, passo dopo passo, senza che sia mai necessario un anello contrattile chiuso. Come ha sottolineato Alison Kickuth: «Lo zebrafish è un caso affascinante, perché la divisione citoplasmatica nelle sue cellule embrionali è intrinsecamente instabile. Per superare questa instabilità, le cellule si dividono rapidamente, consentendo l'ingresso progressivo della banda nel corso di diversi cicli cellulari, alternando stabilità e fluidizzazione fino al completamento della divisione».
Le implicazioni di questa ricerca si estendono ben oltre lo zebrafish. Il meccanismo a cricchetto potrebbe essere alla base della divisione embrionale in numerose specie ovipare, inclusi i grandi vertebrati come uccelli e rettili, in cui le cellule embrionali ricche di tuorlo hanno sempre rappresentato un enigma per i biologi dello sviluppo. Comprendere come le proprietà fisiche del citoplasma siano regolate con precisione temporale per controllare processi cellulari fondamentali apre anche nuove domande su come eventuali perturbazioni di questi meccanismi possano influenzare lo sviluppo embrionale.
