Quanto è grande una cellula animale

La tipica cellula animale misura circa 10 micron, o 0,001 centimetri, di diametro. Il che non sorprende: le cellule sono piccole! Questo è un po' il punto! – e, allo stesso tempo, curioso. Gli animali non esibiscono nulla se non la biodiversità, eppure gli elementi costitutivi che tutti noi condividiamo sono, con pochissime eccezioni, sorprendentemente simili in termini di dimensioni. Quindi: perché? Perché le cellule rimangono così piccole? Perché in generale, nella stragrande maggioranza della vita animale sulla Terra, non diventano più grandi di un centesimo di millimetro? 

I

biologi hanno generalmente attribuito il limite alla difficoltà che le cellule di grande volume incontrano nell'ottenere nutrienti. Ma i ricercatori di Princeton stanno ora offrendo un'altra risposta, che non ha nulla Ha a che fare con il cibo e tutto ciò che ha a che fare con la forza: la gravità. Clifford Brangwynne, assistente professore di ingegneria chimica e biologica e scienziato che ha guidato la ricerca, ha messo in pratica le tecniche di bioingegneria per suggerire che è la forza gravitazionale che impone il limite di dimensione delle cellule. Le rare cellule che superano i 10 micron di diametro, secondo il suo lavoro, sembrano essere le eccezioni che confermano la regola: si sono evolute in parte per sostenere il loro contenuto contro la gravità.

Il che è un risultato importante. Le dimensioni, biologicamente, contano: le forze della natura dipendono dalla scala, il che significa che forze diverse diventano rilevanti, ed essenzialmente irrilevanti, a scale di lunghezza diverse. Quindi gli effetti quantistici che si esercitano sulla materia su scale microscopiche fanno la media man mano che ci si sposta verso scale di lunghezza più grandi. E la forza di gravità, a sua volta, diventa trascurabile a una certa piccolezza di scala. I biologi hanno Long ha ipotizzato che le cellule animali scendano al di sotto di quel punto, che siano semplicemente troppo piccole per essere influenzate dalla gravità. Quindi, mentre, a livello tissutale, certo, le cellule sono soggette alla gravità, a livello del piccolo individuo, il pensiero andava avanti, la gravità non era una delle forze a cui le cellule sono soggette. In microbiologia, "nella mia esperienza, non ci siamo mai preoccupati della gravità, né ci abbiamo mai pensato", mi ha detto Brangwynne.

Il lavoro di Brangwynne, pubblicato su Nature Cell Biology , potrebbe cambiare le cose. E potrebbe anche offrire, una risposta a un mistero di lunga data su dove quella linea possa essere tracciata: a che punto, esattamente, la gravità smette di avere importanza per la materia?

A che punto, esattamente, la gravità smette di avere importanza per la materia?

Brangwynne è arrivato alle sue scoperte con l'aiuto di una tecnologia piuttosto ingegnosa. Anche lui è venuto da loro in modo un po' inaspettato. Il suo lavoro precedente aveva dimostrato che alcune particelle di grandi dimensioni all'interno delle cellule agiscono essenzialmente come goccioline d'acqua, che si fondono quando entrano in contatto l'una con l'altra. Nei nuclei delle cellule, tuttavia, qualcosa sembrava impedire loro di fondersi. Per dare seguito a questa osservazione, Brangwynne e la sua coautrice, la dottoranda Marina Feric, hanno studiato le cellule uovo della rana artigliata africana, che sono, come le altre uova, anomale in quanto possono raggiungere dimensioni di 1 millimetro di diametro. La coppia stava studiando, in particolare, come sono ingegnerizzate le uova: volevano esplorare perché i nuclei di quelle cellule più grandi contengono, rispetto alle cellule più piccole, una concentrazione significativamente più alta di actina, la proteina che forma i microfilamenti negli eucarioti. 

Per fare ciò, si sono rivolti all'ingegneria di una varietà più meccanica: la microreologia, una tecnica che consente l'esame della viscosità all'interno delle cellule. Per prima cosa hanno testato se i nuclei avevano una sorta di impalcatura a rete che avrebbe permesso alle particelle più piccole di muoversi attraverso la rete, ma avrebbe causato particelle per rimanere intrappolate, il che spiegherebbe perché quei nuclei non si sarebbero fusi. Feric ha iniettato i nuclei dell'uovo di rana con microscopiche perle simili al teflon di varie dimensioni. Ha quindi utilizzato l'imaging microscopico per osservare i risultati. Come lei e Brangwynne avevano previsto, le piccole perle si diffusero in tutto il nucleo ("le guardavamo, in pratica, danzare intorno", dice Brangwynne) mentre quelle più grandi rimasero bloccate. Un'impalcatura, come sospettavano, sembrava essere in posizione nelle celle più grandi.  

Feric ha quindi testato se quell'impalcatura potesse essere composta da actina. (L'actina è nota per formare una sorta di citoscheletro al di fuori dei nuclei delle cellule, ma il suo ruolo strutturale nel nucleo è stato in gran parte poco chiaro.) Hanno trattato i nuclei delle cellule con farmaci anti-actina, interrompendo le loro strutture di impalcatura. E quando lo hanno fatto, è successo qualcosa di più inaspettato: gli organelli che sono naturalmente sospesi in tutto il nucleo della cellula ... è caduto. Era, come Brangwynne dice: "Esattamente come quello che vedresti se prendessi una biglia e la lasciassi cadere in un secchio: cadrà fino in fondo". 

Il che suggeriva, a sua volta, che la rete elastica nei nuclei delle cellule era ciò che aveva tenuto sospesi gli organelli, consentendo agli organelli, essenzialmente, una certa resistenza contro le forze di gravità. Rimuovi quell'impalcatura e le particelle cadono. 

"È stato completamente sorprendente per noi che la gravità fosse davvero importante", mi ha detto Brangwynne. Ma la gravità, in effetti, sembrava avere importanza. Il fatto che la rete di actina che attraversa i nuclei delle cellule più grandi – e che non sembra fare lo stesso nelle cellule piccole – suggerisce che è lì a causa delle dimensioni delle cellule. È una deduzione, ma che ha senso: le cellule più grandi hanno la rete di actina per proteggersi dalla gravità. Man mano che le cellule crescono più grandi di 10 micron, devono rafforzare il loro contenuto contro la gravità. Ma se le cellule rimangono al di sotto di quei 10 micron come fa la stragrande maggioranza delle cellule animali, possono essenzialmente sfuggire alle forze di gravità. Gli elementi costitutivi della vita sono piccoli, essenzialmente, perché la gravità li mantiene tali.