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The mechanics and transport of the active cytoskeleton in biomimetic and living cellular systems

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Movimenti tra cellule viventi e al loro interno

Il trasporto di molecole e organelli tra le cellule svolge un ruolo in molte funzioni cellulari, quali la migrazione e la divisione. La ricerca dell’UE ha studiato come questo processo fondamentale sia legato alla diffusione metastatica del cancro.

Ricerca di base

Il trasporto intracellulare può essere azionato da motori molecolari o dalle fluttuazioni del citoscheletro e dal flusso del citoplasma. L’interazione del citoscheletro nel citoplasma, come anche nella corteccia cellulare, rappresenta un fattore chiave per comprendere il movimento della componente cellulare. Poiché si conosce poco circa il processo di interazione citoscheletro-corteccia, il progetto BIOMIMETIC-MECHANICS ha caratterizzato la meccanica del citoscheletro nei sistemi viventi e biomimetici. Le realizzazioni hanno incluso lo sviluppo di un quadro teorico e sperimentale per caratterizzare l’attività di non equilibrio nelle cellule viventi e di altri sistemi biomimetici. I ricercatori hanno inoltre sviluppato protocolli in grado di effettuare misurazioni delle pinzette ottiche nei sistemi biomimetici e nelle cellule viventi, come anche esperimenti di misurazione della forza su sistemi biomimetici e ovociti murini in fase di sviluppo. Per evidenziare l’importanza della diffusione attiva, una forza capace di spostare grandi organelli, il progetto BIOMIMETIC-MECHANICS ha studiato il posizionamento del nucleo centrale negli ovociti murini. Normalmente, il centrosoma determina il baricentro della cellula, tuttavia gli ovociti non hanno centrosomi. Grazie all’acquisizione di immagini in tempo reale, i ricercatori hanno dimostrato come la diffusione attiva di vescicole rivestite di actina, guidata da miosina Vb, generi un gradiente di pressione e una forza di propulsione sufficienti a spostare il nucleo dell’ovocita, rendendo più fluido il citoplasma. La struttura e la forma delle cellule viventi sono determinate principalmente dai filamenti di biopolimeri e dai motori molecolari del citoscheletro. La meccanica attiva delle cellule incorpora la generazione di forza attiva su scala molecolare, se considerata nell’ambito della meccanica dei materiali. Utilizzando la struttura di Langevin, i ricercatori hanno misurato le forze meccaniche intracellulari al fine di ottenere una comprensione quantitativa dell’attività meccanica di non equilibrio, nelle cellule viventi. Giacché gli organismi viventi in genere si trovano al di fuori dei sistemi di equilibrio, il team ha utilizzato un modello microscopico per prevedere la quantità di energia meccanica prodotta per tali dinamiche. Tenendo traccia delle vescicole con dimensioni rilevabili in micron, presenti nel citoplasma dell’ovocita, è stato misurato lo spettro di energia dissipata. Il modello è in linea con i dati sperimentali e può essere usato per predire le scale di grandezza relative all’iniezione di energia e alla dissipazione coinvolte nelle fluttuazioni attive. I risultati della ricerca del progetto BIOMIMETIC-MECHANICS rappresentano una base di conoscenze molto solida per una comprensione del modo in cui la meccanica influenza la motilità cellulare e la relativa divisione. Lo sviluppo di nuovi trattamenti clinici per il cancro basati su questi risultati potrebbe rappresentare il prossimo passo.

Parole chiave

Cellule viventi, trasporto intracellulare, citoscheletro, BIOMIMETIC-MECHANICS, meccanica

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