Saltar al contenido

Nova forma geomètrica utilitzada per la naturalesa per empaquetar cel·les de manera eficient

3 julio, 2018

a) Esquema que representa el epiteli plaquial columnar / cúbic monocapa. Les cel·les es simplifiquen com prismes.
b) Esquema que il·lustra un plec en un epiteli monocapa columnar / cúbic. Les cel·les adopten l’anomenada “forma de l’ampolla 23” que es simplificarà com a escuma.
c) Model matemàtic per a un tub epitelial.
d) Modelització de figures de fang que il·lustren dos escroductes que participen en una transició i dos esquemes de sòlids escroductes. Els scutoids es caracteritzen per tenir almenys un vèrtex en un pla diferent a les dues bases i presentar superfícies corbes.
e) Vista dorsal d’un escarabat espècie Protaetia de la família Cetoniidae. Les línies blanques ressalten la semblança del seu scutum, scutellum i ales amb la forma dels escroides. Il·lustració del Dr. Nicolas Gompel, amb permís.
f) Reconstrucció tridimensional de les cèl·lules que formen un tub. El motiu de quatre cel·les (cel verd, groc, blau i vermell) mostra una intercalació cel·lular apico-basal.
g) Detall de la transició apico-basal, que mostra com les cèl·lules blaves i grogues es posen en contacte a la part apical, però no a la part basal. La figura també mostra que els escroides presenten superfícies còncaves.

Crèdits: Luis M. Escudero (Universitat de Sevilla, Espanya), Javier Buceta (Universitat Lehigh, EE. UU.), Pedro Gómez-Galvez, Pablo Vicente-Munuera i científics del Centre Andaluz de Biologia del Desenvolupament, i el Centro Severo Ocha de Biologia Molecular, Marta Boza ( abogada divorcis Barcelona) entre altres.
A mesura que es produeix un embrió, els teixits es dobleguen en formes tridimensionals complexes que condueixen als òrgans. Les cèl·lules epitelials són els blocs bàsics d’aquest procés que formen, per exemple, la capa externa de la pell. També enllaquen els vasos sanguinis i els òrgans de tots els animals.

Aquestes cèl lules s’enganxen junts amb força. Per donar cabuda a la corba que es produeix durant el desenvolupament embrionari, s’ha assumit que les cèl·lules epitelials adopten formes columnar o en forma de ampolla.

Tanmateix, un grup de científics va aprofundir en aquest fenomen i va descobrir una nova forma geomètrica en el procés.

Van descobrir que, durant la flexió dels teixits, les cèl·lules epitelials adopten una forma prèviament no descrita que permet a les cèl·lules minimitzar l’ús d’energia i maximitzar l’estabilitat de l’embalatge. Els resultats de l’equip es publicaran a Nature Communications en un document anomenat “Scutoids són una solució geomètrica per a l’empaquetatge tridimensional d’epitelis”.

L’estudi és fruit d’una col·laboració entre els Estats Units i la Unió Europea entre els equips de Luis M. Escudero (Universitat de Sevilla, Espanya) i el de Javier Buceta (Lehigh University, EUA). Pedro Gómez-Galvez i Pablo Vicente-Munuera són els primers autors d’aquesta obra que també inclou científics del Centre Andalucian de Biologia del Desenvolupament, i el Centre Severo Ochoa de Biologia Molecular, entre d’altres.

Buceta i els seus col·legues van fer el primer descobriment a través d’un modelatge computacional que va utilitzar el diagrama de Voronoi, una eina utilitzada en diversos camps per comprendre l’organització geomètrica.

“Durant el procés de modelatge, els resultats que vam veure eren rars”, explica Buceta. “El nostre model va predir que a mesura que augmenta la curvatura del teixit, les columnes i les formes d’ampolla no eren les úniques formes que les cèl·lules poden desenvolupar. Per sorpresa, la forma addicional ni tan sols tenia un nom en matemàtiques. Normalment no tenim oportunitat de nomenar una nova forma “.

El grup ha nomenat la nova forma “escruta”, per la seva semblança amb el scutellum: la part posterior d’un insecte tòrax o secció mitjana.

Per verificar les prediccions del model, el grup va investigar l’embalatge tridimensional de diferents teixits en diferents animals. Les dades experimentals van confirmar que les cèl·lules epitelials van adoptar formes i motius d’embalatge tridimensional similars als previstos pel model computacional.

Utilitzant enfocaments biofísics, l’equip argumenta que els escroductes estabilitzen l’embalatge tridimensional i el fan energèticament eficient. Tal com Buceta posa: “Hem desbloquejat la solució de la naturalesa per aconseguir una flexió epitelial eficient”.

Les seves troballes podrien preparar el camí per entendre l’organització tridimensional dels òrgans epitelials i donar lloc a avenços en l’enginyeria del teixit.

“A més d’aquest aspecte fonamental de la morfogènesi,” escriuen “, la capacitat d’enginyar teixits i òrgans en el futur es basa fonamentalment en la capacitat d’entendre i controlar l’organització 3D de les cèl·lules”.

Afegeix Buceta: “Per exemple, si esteu buscant créixer òrgans artificials, aquest descobriment podria ajudar-vos a construir un bastidor per fomentar aquest tipus d’embalatge cel·lular, simulant amb precisió la manera de desenvolupar teixits de manera eficaç”.