Dopo tutto, la disposizione apparentemente casuale delle cellule nei tessuti vegetali potrebbe non essere caotica. Una nuova ricerca della Cornell University rivela una logica nascosta dietro questa diversità cellulare, suggerendo un’affascinante interazione tra casualità e crescita che modella gli intricati disegni di foglie e fiori.
Pubblicato su PLOS Biology, questo studio approfondisce il modo in cui le cellule giganti – notevolmente più grandi delle loro vicine – contribuiscono ai modelli patchwork osservati sulle superfici fogliari. Queste cellule “giganti” nascono da un processo chiamato endoreduplicazione, in cui il DNA si replica ripetutamente senza divisione cellulare. In precedenza, gli scienziati non erano sicuri se queste cellule giganti apparissero in modo casuale o seguissero uno schema prevedibile.
Utilizzando immagini ad alta risoluzione e sofisticati modelli computerizzati, il gruppo di ricerca guidato da Frances K. Clark e Adrienne Roeder ha scoperto che mentre la formazione iniziale delle cellule giganti è effettivamente apparentemente casuale, il loro eventuale raggruppamento emerge man mano che i tessuti crescono e si espandono. Immaginatelo come se si spargessero dei semi: all’inizio appaiono sparsi in modo casuale. Ma man mano che le piante crescono e lo spazio diventa limitato, i modelli iniziano naturalmente a formarsi.
Questo processo di ordinamento non è dettato dalla comunicazione diretta tra cellule ma emerge piuttosto dalle forze combinate della crescita e del caso. Man mano che nuove cellule si dividono attorno a queste cellule giganti inizialmente casuali, la geometria del tessuto cambia, trasformando la casualità in un mosaico strutturato.
Gli architetti genetici delle dimensioni delle cellule
Lo studio ha individuato quattro geni chiave – ACR4, ATML1, DEK1 e LGO – che fungono da architetti della dimensione cellulare nei tessuti vegetali. L’aumento dell’attività di LGO ha portato a cellule più giganti, mentre l’aumento di ATML1 o LGO ha ampliato la loro area complessiva. In particolare, questi geni producono risultati diversi a seconda del tessuto specifico in cui lavorano. Cellule giganti apparivano su entrambe le superfici fogliari ma solo sul lato inferiore dei sepali (strutture simili a petali che circondano il fiore).
Per convalidare ulteriormente questo modello, i ricercatori hanno collaborato con gli scienziati dell’Istituto Max Planck per la ricerca sulla selezione vegetale in Germania. Insieme, hanno creato una simulazione al computer in cui il destino di ciascuna cellula è stato determinato in modo casuale dalla fluttuazione dei livelli di ATML1, imitando il sistema biologico senza alcuna comunicazione diretta da cellula a cellula. I modelli risultanti generati all’interno di questo modello rispecchiavano in modo sorprendente quelli osservati nei tessuti vegetali reali.
Oltre le piante: implicazioni per design e biologia
I risultati trascendono il regno delle piante e offrono una comprensione più ampia di come l’ordine possa sorgere da inizi apparentemente casuali in vari sistemi biologici. Questo principio ha implicazioni significative per campi come la biologia sintetica, dove i ricercatori mirano a progettare strutture complesse utilizzando un coordinamento minimo. Sfruttando i principi rivelati in questo studio, gli scienziati potrebbero potenzialmente progettare tessuti vegetali o addirittura sistemi biologici completamente nuovi con maggiore precisione ed efficienza.
“La casualità non è caos; è un elemento fondamentale”, spiega Adrienne Roeder. “Interagisce con le dinamiche di crescita per creare modelli complessi che sono essenziali per la vita.” L’elegante semplicità di questo principio sottolinea quanto dobbiamo ancora imparare sui meccanismi nascosti che guidano l’organizzazione della vita stessa.
