Uno studio mostra come l’orientamento delle cellule possa guidare la nascita di strutture tridimensionali controllate
Si organizzano, si adattano e cambiano forma seguendo le forze generate dalle cellule che li compongono. I tessuti viventi custodiscono da sempre questa straordinaria capacità, ma oggi un gruppo di scienziati sostiene di aver compiuto un ulteriore passo. Per la prima volta è riuscito infatti a guidare in modo programmato la forma finale di un tessuto biologico, controllando l’orientamento delle cellule al suo interno. Il risultato, pubblicato sulla rivista Science, arriva da una collaborazione tra l’Istituto di Bioingegneria della Catalogna, il Politecnico della Catalogna, il Centro Internazionale per i Metodi Numerici in Ingegneria e il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare di Barcellona.
Il punto centrale dello studio è semplice da dire ma molto meno da ottenere in laboratorio. Se si riesce a decidere in che direzione si dispongono le cellule, si può anche influenzare il modo in cui il tessuto si deforma, si incurva e prende volume. In sostanza, i ricercatori mostrano che un materiale vivente può essere progettato in anticipo affinché assuma una determinata configurazione tridimensionale. È una svolta che interessa da vicino la bioingegneria, perché trasforma un comportamento naturale in uno strumento di progettazione. E quando la materia vivente diventa qualcosa che si può dirigere con precisione, il confine tra osservazione biologica e costruzione tecnologica comincia a spostarsi sul serio.
La scoperta dagli autori
Secondo gli autori, la ricerca dimostra che è possibile ottenere tessuti viventi capaci di deformarsi in modo controllato fino a generare strutture tridimensionali riproducibili. Il passaggio è importante perché uno dei grandi problemi della bioingegneria consiste proprio nel trasformare la naturale vitalità dei tessuti in un comportamento prevedibile e governabile. Fino a oggi questo obiettivo si è scontrato con un ostacolo duro. Le cellule generano forze proprie, ma indirizzarle tutte verso una forma precisa resta una faccenda maledettamente complessa.
Xavier Trepat, professore di ricerca ICREA all’IBEC, responsabile del gruppo di dinamica integrativa di cellule e tessuti e coautore dello studio, riassume così il risultato raggiunto. “Stiamo dimostrando di poter progettare la forma che un tessuto vivente assumerà semplicemente controllando come sono orientate le sue cellule.” È una frase che pesa parecchio, perché suggerisce un cambio di paradigma. Invece di costringere il tessuto con impalcature artificiali o supporti rigidi, i ricercatori hanno lavorato sulla sua logica interna, lasciando che fosse il tessuto stesso a produrre la forma desiderata.
Quando le cellule si allineano nasce l’ordine
Per capire perché questo studio conta davvero bisogna guardare da vicino al comportamento dei tessuti composti da cellule allungate. In questi sistemi le cellule tendono a disporsi in gruppi orientati nella stessa direzione, un po’ come le fibre di un tessuto vero e proprio. Gli scienziati definiscono questa configurazione ordine nematico. Non è un dettaglio da manuale, ma una chiave di lettura fondamentale, perché da quell’allineamento dipendono molte delle forze interne che regolano la meccanica del tessuto.
A volte però questo ordine si interrompe in punti precisi. In quelle zone compaiono i cosiddetti difetti topologici, aree localmente disordinate che ricordano, per certi aspetti, i vortici o le biforcazioni osservabili nelle impronte digitali. In biologia questi punti non sono semplici anomalie geometriche. Diventano luoghi in cui le forze si concentrano e da cui possono partire deformazioni, movimenti e cambiamenti strutturali. Pau Guillamat, ricercatore del gruppo di dinamica integrativa di cellule e tessuti dell’IBEC e primo autore dello studio, lo spiega con chiarezza. “L’orientamento delle cellule controlla le forze, e le forze possono controllare la generazione di una forma tridimensionale.”
Il metodo chimico usato per guidare il tessuto
Per dirigere queste forze, il gruppo di ricerca ha utilizzato microschemi chimici tracciati su superfici piane. In pratica, gli scienziati hanno disegnato delle linee usando una proteina alla quale le cellule potevano aderire. Attorno a queste linee hanno poi creato aree contenenti un polimero che invece impediva l’adesione. Il trucco stava proprio qui. Le cellule, trovando una strada preferenziale e una zona da evitare, finivano per allinearsi lungo il tracciato stabilito dai ricercatori.
Questo sistema ha consentito di creare una vera e propria mappa dell’orientamento cellulare, imponendo la comparsa dei difetti topologici in punti scelti in anticipo. È un passaggio cruciale, perché in natura questi difetti emergono spontaneamente e in modo spesso disordinato. Qui invece vengono collocati dove servono. Guillamat lo dice in modo diretto. “La chiave è che possiamo decidere dove si troveranno questi difetti e quindi dove si genereranno le forze all’interno del tessuto.”
Una volta preparata questa architettura interna, il tessuto conserva una distribuzione di tensioni pronta a manifestarsi. Finché resta ancorato al supporto, però, non può deformarsi liberamente. Le forze interne ci sono, ma rimangono trattenute. Tutto cambia nel momento in cui quel vincolo viene rimosso.
Il momento decisivo arriva quando il vincolo sparisce
L’esperimento cruciale è arrivato quando i ricercatori hanno staccato il tessuto dal substrato su cui le cellule erano cresciute. Finché il tessuto restava attaccato, le forze interne prodotte dalle cellule rimanevano ancorate al supporto e la struttura non poteva modificare davvero la propria forma. Appena liberato, invece, il sistema ha ridistribuito la tensione accumulata e ha iniziato a deformarsi rapidamente nella direzione imposta dallo stress interno.
Per spiegare il fenomeno, Guillamat usa un’immagine molto efficace. “È come un lenzuolo elastico teso e fissato ai bordi. Sebbene sia tenuto in posizione, non si deforma; tuttavia, quando viene rilasciato, adotta una nuova geometria determinata dalle tensioni interne.” Il paragone rende bene l’idea. Nel tessuto cellulare avviene qualcosa di simile. La forma finale non nasce da una spinta esterna improvvisa, ma dal rilascio di forze che erano già presenti e organizzate al suo interno. I ricercatori non costruiscono semplicemente un oggetto che si piega. Costruiscono un sistema vivente che contiene già, nella disposizione delle sue cellule, le istruzioni meccaniche per trasformarsi.
Le simulazioni prevedono la geometria finale
Per capire meglio l’origine di queste forze e prevedere il risultato finale, il gruppo guidato da Marino Arroyo ha sviluppato modelli teorici e simulazioni numeriche. Arroyo è professore ordinario al Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico della Catalogna, responsabile del gruppo di ricerca sui materiali morbidi e viventi al CIMNE e coautore dello studio. Il suo contributo ha consentito di collegare il disegno dell’orientamento cellulare alla forma tridimensionale ottenuta una volta rimosso il vincolo meccanico.
Il valore di questa parte del lavoro è enorme. In bioingegneria, infatti, vedere un fenomeno è importante, ma riuscire a prevederlo quantitativamente cambia tutto. Significa passare da un risultato interessante a una piattaforma davvero progettuale. Arroyo lo spiega così. “I nostri modelli ci hanno permesso di esaminare diverse ipotesi e infine identificare il meccanismo attraverso cui l’orientamento cellulare porta al piegamento tridimensionale dei tessuti. Inoltre, forniscono una relazione quantitativa tra il motivo nematico e la forma, confermando così che il sistema può essere utilizzato come piattaforma predittiva per la progettazione morfologica dei tessuti.”
Tradotto vuol dire che gli scienziati possono progettare uno schema, calcolare quale forma produrrà e verificare poi che il tessuto faccia davvero quel che era stato previsto. Non è affatto poco. È il genere di controllo che rende credibile un futuro impiego tecnologico.
Le applicazioni possibili dalla medicina alla robotica
Gli autori presentano il lavoro come una dimostrazione iniziale, ma il potenziale applicativo è già piuttosto chiaro. Una prima area riguarda l’ingegneria tissutale, dove la possibilità di creare strutture tridimensionali senza ricorrere a impalcature artificiali potrebbe cambiare l’approccio alla costruzione di tessuti biologici complessi. Un secondo fronte è quello della robotica bioibrida, in cui tessuti viventi deformabili potrebbero agire come attuatori biologici, cioè come elementi capaci di generare movimento o modificare una struttura in modo attivo.
Poi c’è la prospettiva dei materiali viventi intelligenti, superfici biologiche capaci di riconfigurare la propria forma e, potenzialmente, anche alcune funzioni. Guillamat descrive così questa possibilità. “Questi sistemi possono essere considerati materiali viventi che generano forze e forme programmabili e possono anche integrare informazioni e rispondere in modo intelligente”. La frase va letta con misura, senza gonfiare il risultato oltre quello che davvero dice. Gli autori non stanno annunciando una tecnologia pronta per il mercato. Stanno però mostrando un principio che potrebbe alimentare diversi filoni di ricerca avanzata nei prossimi anni.
Uno strumento utile anche per capire i tumori
Oltre alle applicazioni più immediate, questa metodologia offre uno strumento prezioso per studiare fenomeni biologici molto complessi, come la formazione degli organi e il comportamento dei tessuti tumorali. Comprendere in che modo i modelli di orientamento cellulare influenzino le forze interne di un tessuto significa entrare nel cuore di processi che regolano sviluppo, trasformazione e organizzazione della materia vivente.
Trepat lo sottolinea con un’altra dichiarazione: “È uno strumento perfetto per capire come i modelli di orientamento cellulare influenzino la meccanica e l’evoluzione dei tessuti complessi.” Ed è probabilmente questo il punto più affascinante dell’intero studio. La ricerca non apre soltanto la strada a nuovi materiali biologici progettati in laboratorio. Offre anche una chiave per leggere meglio il comportamento dei tessuti reali, quelli che crescono, si piegano, si organizzano e talvolta si alterano dentro gli organismi viventi. In questo senso il lavoro si muove su due binari insieme. Costruisce una tecnologia e, nello stesso tempo, affina uno strumento per capire la biologia profonda delle forme.
Link utili:
Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces | Science
