Theoretical analysis of forces generated by mitotic spindle

Ogni cellula vivente che si divide deve compiere una impresa di precisa ingegneria: deve dividere il proprio materiale genetico in due set identici e trascinarli verso le estremità opposte della cellula. Questo processo, noto come mitosi, si affida a una struttura temporanea chiamata fuso, una macchina microscopica composta da fibre proteiche che funge sia da impalcatura che da motore. All'interno di questa macchina, minuscoli motori molecolari camminano lungo queste fibre, generando la tensione necessaria per allineare i cromosomi al centro della cellula e la forza potente necessaria per scuoterli via più tardi. Gli scienziati sono stati in grado per molto tempo di misurare quanta forza esercitano queste fibre per mantenere i cromosomi in posizione durante la fase di allineamento, ma è emersa una discrepanza sconcertante quando osservano la fase successiva. Quando i ricercatori hanno cercato di fermare un cromosoma dal muoversi durante la fase di separazione, hanno scoperto che era necessaria una forza centinaia di volte superiore rispetto a quella necessaria solo per tenerlo fermo in precedenza. Questa enorme differenza ha lasciato i biologi con il dubbio sul perché la macchina sembri generare una potenza così grande solo per essere fermata, e da dove provenga tale potenza.

Un nuovo studio teorico di Ping Xie, della Accademia Cinese delle Scienze, offre una chiara spiegazione per questo mistero modellando il modo in cui il fuso genera forza. La ricerca suggerisce che il fuso non cambi il suo motore fondamentale tra le fasi di allineamento e di separazione; piuttosto, la differenza nella forza necessaria per fermare un cromosoma in movimento è una diretta conseguenza di quanto velocemente quel cromosoma stia cercando di muoversi. Nella fase precedente, quando i cromosomi si stanno allineando, le fibre sono sotto tensione, ma il movimento è relativamente lento. Nella fase successiva, quando i cromosomi vengono tirati via, le fibre si stanno depolimerizzando alle loro estremità, spingendo i cromosomi verso i poli a una velocità molto più elevata. Lo studio propone che la forza necessaria per arrestare un cromosoma non dipenda solo dalla forza delle fibre, ma dalla velocità con cui esse cercano di trascinare il cromosoma via. Per fermare un oggetto veloce, serve molta più forza rispetto a fermarne uno lento, anche se il motore che li guida è lo stesso.

Il documento si concentra sui dati provenienti dagli spermatociti di locusta, un classico modello per studiare la divisione cellulare. In queste cellule, i ricercatori hanno precedentemente misurato che occorrono circa 7 piconewton di forza per tenere ferma una singola fibra durante la fase di allamento. Tuttavia, quando hanno cercato di fermare un intero cromosoma dal muoversi durante la fase di separazione, hanno scoperto che era necessario un incredibile valore di 700 piconewton. Poiché un singolo cromosoma è attaccato a circa 15 fibre, ciò implica che ogni fibra genera circa 50 piconewton di forza durante la separazione, un valore molto più alto dei 7 piconewton osservati in precedenza. Il modello di Xie spiega questo fatto calcolando che la velocità con cui i cromosomi non manipolati si allontanano dal centro durante la separazione è molto più alta della velocità delle fibre durante l'allineamento. Poiché le fibre stanno cercando di trascinare il cromosoma via così velocemente, la forza necessaria per contrastare quel movimento e portarlo all'immobilità è naturalmente molto più grande. Il modello mostra che se la forza di trazione su ogni fibra durante l'allineamento è di circa 7,87 piconewton, la matematica predice perfettamente i 700 piconewton di forza di arresto osservati negli esperimenti.

Lo studio affronta anche il motivo per cui altri esperimenti hanno riportato forze molto più basse necessarie per fermare i cromosomi. In quei casi, i ricercatori hanno utilizzato fasci laser per trattenere i cromosomi. Il nuovo modello suggerisce che la luce laser stessa possa aver danneggiato o staccato i motori molecolari responsabili del trascinamento delle fibre, rallentando efficacemente il cromosoma. Se il cromosoma si muove più lentamente perché i motori sono compromessi, allora serve molta meno forza per fermarlo. Ciò spiega la discrepanza senza dover assumere che la cellula possieda due motori diversi per l'allineamento e la separazione. Invece, la cellula utilizza un meccanismo coerente, ma la velocità del processo determina la forza necessaria per l'arresto.

Inoltre, la ricerca fa una previsione specifica su cosa accadrebbe se gli scienziati cercassero di fermare tutti i cromosomi della cellula contemporaneamente, anziché uno solo. Il modello suggerisce che la forza totale necessaria per fermare tutti i cromosomi simultaneamente sarebbe circa quattro volte superiore alla forza necessaria per fermarne uno solo. Al contrario, la forza necessaria per fermare ogni singolo cromosoma in quel gruppo totale sarebbe solo circa il 17 percento della forza necessaria per fermare un cromosoma isolato. Questo risultato controintuitivo deriva dal fatto che le fibre sono interconnesse; fermare una parte del sistema ne cambia la dinamica per il resto. L'autore spera che futuri esperimenti possano testare questa previsione, il che confermerebbe che il fuso opera come una macchina unificata e autoregolata, dove la forza generata è strettamente legata alla velocità di movimento.

Questo lavoro fornisce una visione unificata di come le cellule gestiscano le immense forze della divisione. Risolve l'enigma del perché la forza di arresto sia così alta mostrando che è una naturale conseguenza dell'alta velocità di separazione, piuttosto che un improvviso aumento della forza dei motori molecolari. Il fuso non ha bisogno di cambiare marcia o cambiare motore; risponde semplicemente alla velocità del processo. Comprendendo che la forza necessaria per fermare una parte in movimento è determinata dalla velocità con cui quella parte si muove, gli scienziati possono comprendere meglio la meccanica della vita al suo livello più fondamentale. Lo studio conferma che il fuso è un sistema robusto in cui le forze sono bilanciate dalle velocità dei componenti, garantendo che i cromosomi siano separati con la precisione e la potenza necessarie affinché la vita possa continuare.