Gli esseri viventi si caratterizzano per la differenziazione delle loro cellule e dei processi biologici. La specializzazione cellulare in molti casi ha prodotto strutture quasi periodiche (come i motivi geometrici del manto degli animali o la simmetria degli arti). Ma quali sono i principi generali che, pur in contesti molto diversi, sottendono questo tipo di processi?
Una risposta in questo senso viene da una ricerca pubblicata su Plos Biology, frutto della collaborazione di un team del Dipartimento di Fisica dell’Università di Firenze e del Weizmann Institute of Science di Israele (“Robust stochastic Turing patterns in the development of a one-dimensional cyanobacterial organism” DOI: doi.org/10.1371/journal.pbio.2004877). I ricercatori hanno studiato l’Anabaena, un batterio che svolge la fotosintesi, e sono arrivati a proporre un modello matematico che spiega il meccanismo di formazione dello schema cellulare, cioè del motivo regolare ripetuto nello spazio (pattern), che caratterizza questo organismo.
“La struttura dell’Anabaena – spiega Francesca Di Patti, giovane ricercatrice dell’Ateneo e prima firmataria dell’articolo – si presenta, per così dire, come una collana in cui un certo numero di grani di uno stesso tipo sono periodicamente intervallati da un grano di altro genere. In normali condizioni ambientali (in presenza di azoto) il batterio è formato per la maggior parte da cellule vegetative. In carenza di azoto, invece, è capace di differenziare alcune cellule vegetative in cellule specializzate nella fissazione dell’azoto, dette eterocisti. La differenziazione avviene seguendo una certa regolarità: ogni 10-15 cellule vegetative se ne forma una eterociste. Questo ingegnoso processo biologico garantisce così il necessario apporto di azoto a tutte le cellule che compongono il filamento di Anabaena.
I ricercatori fiorentini e israeliani hanno indagato il meccanismo di formazione dei pattern del batterio. “La quantità di proteine dentro le cellule – spiega ancora Di Patti – varia nel tempo e non è lo stesso per ogni cellula. Le fluttuazioni nel numero di proteine, indeterminazione che gli scienziati chiamano “rumore”, è alla base del meccanismo con cui la natura genera i pattern. Il rumore si traduce in ordine e regolarità lungo la catena di cellule che costituiscono il batterio. E’ come se dal disordine nascesse l’ordine”.
“La ricerca, in cui il team Unifi ha curato il modello matematico e il gruppo del Weizmann le misure biologiche sperimentali, – commenta Duccio Fanelli, docente di Fisica della materia e coordinatore del team dell’Ateneo fiorentino – è il primo esempio reale di pattern guidati dal ‘rumore’ nello sviluppo di un organismo. Il meccanismo che abbiamo discusso ha, per la sua generalità, le potenzialità per essere applicato con successo a numerosi altri sistemi biologici”.
