L’organismo unicellulare utilizza il “computer” interno per camminare

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Un profilo di Euplote che mostra le “gambe” che usa nella sua locomozione a piedi. Credito: Ben Larson/Wallace Lab

La maggior parte degli animali richiede cervello per correre, saltare o saltare. Il protozoo unicellulare Euplotes eurystomus, tuttavia, compie una camminata veloce utilizzando un semplice computer meccanico per coordinare le sue gambe microscopiche, hanno riferito i ricercatori della UC San Francisco il 22 settembre 2022 sulla rivista Biologia attuale.

Euplotes ha 14 appendici simili a gambe, ciascuna composta da fasci di ciglia simili a capelli. I ricercatori hanno mostrato per la prima volta che le connessioni interne tra queste ciglia controllano i loro movimenti, lasciando che le gambe si muovano solo in determinati schemi e sequenze. Quando queste connessioni interne vengono interrotte, i movimenti degli organismi acquatici diventano meno produttivi, spesso portando le cellule a girare in cerchio piuttosto che camminare in linea.

“Euplotes utilizza queste connessioni per facilitare un elaborato movimento di camminata, ma il mio sospetto è che quando approfondiremo questo aspetto, scopriremo che altre cellule utilizzano forme di calcolo simili per controllare processi più sottili”, ha affermato Wallace Marshall, Ph.D. , autore principale dello studio e professore di biochimica e biofisica all’UCSF.

In generale, gli organismi unicellulari acquatici non hanno gambe e non camminano: rotolano, nuotano o strisciano. Quindi, quando il ricercatore post-dottorato dell’UCSF Ben Larson, Ph.D. avvistato Euplote che correva in giro sotto il suo microscopio, all’inizio pensò di guardare animali simili a insetti. Quando si rese conto che gli organismi erano unicellulari, rimase affascinato dal modo in cui coordinavano le loro 14 appendici senza cervello o sistema nervoso.

Per comprendere questa capacità insolita, Larson e Marshall hanno osservato le cellule Euplotes in modo più dettagliato, rallentando i video delle cellule che camminano, catturando 33 fotogrammi al secondo ed etichettando ciascuna gamba per analizzare l’andatura degli organismi.

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Credito: Biologia attuale (2022). DOI: 10.1016/j.cub.2022.07.034

Le celle non camminavano come le persone, con gambe chiaramente alternate, né avevano una cadenza da cavallo al galoppo. Ma Larson e Marshall hanno scoperto che le appendici seguivano determinati schemi. I ricercatori hanno caratterizzato 32 diversi “stati dell’andatura” o combinazioni di movimenti delle gambe, quindi hanno mostrato che alcuni stati dell’andatura avevano maggiori probabilità di seguirne altri.

“Sembrava esserci questa logica sequenziale che accadeva con i movimenti”, ha detto Larson. “Non erano casuali e abbiamo iniziato a sospettare che fosse in corso una sorta di elaborazione delle informazioni”.

La macchina dei microtubuli

Gli scienziati sapevano sin dagli anni ’20 che lunghi filamenti proteici si proiettavano in Euplotes da ciascuna delle sue appendici. Composti da microtubuli, il componente principale dell’impalcatura di una cellula, o citoscheletro, si è ritenuto a lungo che questi filamenti svolgessero un ruolo strutturale in Euplotes. Ma quando Larson e Marshall hanno interrotto i microtubuli con un farmaco o tagliandoli con un ago, Euplotes non ha più camminato allo stesso modo; i suoi movimenti divennero più casuali e casuali.

I ricercatori hanno collaborato con scienziati informatici per modellare come i filamenti potrebbero controllare il movimento del cammino. Insieme, hanno concluso che la tensione e la tensione sui filamenti potrebbero determinare quali stati dell’andatura erano possibili in un dato momento. Il macchinario, hanno detto, assomiglia a uno Strandbeest, una scultura cinetica in movimento progettata da un artista olandese per camminare e reagire al suo ambiente.

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Un singolo Euplote che cammina al microscopio, usando le sue “gambe”. Il video è rallentato di un fattore 4 per rendere più chiaramente visibili i movimenti. Credito: Ben Larson/Wallace Lab

Sebbene questo tipo di macchinario interno non assomigli ai dispositivi digitali odierni, segue i principi utilizzati dai primi computer meccanici, ha affermato Marshall.

“Il fatto che le appendici di Euplotes si muovano da uno stato all’altro in modo non casuale significa che questo sistema è come un computer rudimentale”, ha affermato.

È necessario ulteriore lavoro per capire esattamente come i filamenti dei microtubuli controllano la camminata di Euplotes, ammettono i ricercatori. Ma la loro modellazione computazionale e gli esperimenti suggeriscono un metodo meccanico completamente nuovo per una cellula per controllare il suo stato interno.

“Questo è di per sé un fenomeno biologico davvero affascinante, ma potrebbe anche evidenziare processi computazionali più generali in altri tipi di cellule”, ha affermato Larson.


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Maggiori informazioni:
Ben T. Larson et al, Un deambulatore unicellulare controllato da una macchina a stati finiti basata su microtubuli, Biologia attuale (2022). DOI: 10.1016/j.cub.2022.07.034

Fornito dall’Università della California, San Francisco

Citazione: L’organismo unicellulare utilizza il “computer” interno per camminare (2022, 11 ottobre) recuperato il 13 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-10-single-celled-internal.html

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