Il pesce zebra è uno degli animali più studiati del pianeta. Ma il modo in cui sono arrivati alle loro bellissime strisce nere e dorate è più un mistero. La nostra nuova ricerca ha utilizzato modelli matematici e osservazioni dettagliate di modelli mutanti di pesce zebra per arrivare al fondo di uno dei segreti più antichi della natura.
Le stime suggeriscono che il pesce zebra viene utilizzato in oltre 600 laboratori in tutto il mondo per studiare malattie che vanno dalla distrofia muscolare al cancro. Può sembrare difficile immaginare che un minuscolo pesce tropicale possa dirci qualcosa di utile sulla fisiologia umana distintiva, ma sono più simili a noi di quanto sembri a prima vista. Hanno spine, cuori, fegati, ossa, occhi e reni.
Di uguale importanza è l'opportunità che questo robusto pesce offre per indagare e comprendere i processi biologici fondamentali e belli che generano la spettacolare diversità dei modelli visti in natura. Questi modelli sono formati dalla disposizione dei pigmenti, solitamente confezionati in cellule specializzate.
Da lontano le strisce di pesce zebra sembrano lunghi e sottili blocchi di pigmento nero o dorato. Ma a un esame più attento si può vedere che queste strisce sono costituite da migliaia di piccoli e distinti punti di colore. Ogni punto è una singola cellula di pigmento. I tre tipi di cellule che producono il modello sono melanofori neri, xantofori gialli e iridofori blu e argento. La nostra ricerca si è concentrata sulla comprensione di come un numero sufficiente di queste cellule che interagiscono nel modo giusto possa provocare l'alternanza di motivi a strisce su un pesce zebra.
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La teoria matematica che ha predominato le spiegazioni di come sono emerse le strisce di zebrafish è il modello di Turing. Il meccanismo prende il nome dall'eroe di guerra visionario, pioniere del computer e matematico Alan Turing che per primo lo suggerì. Nei modelli di Turing due diversi tipi di "agenti" (melanofori e xantofori nella maggior parte dei modelli di pesce zebra) si muovono in modo casuale e interagiscono tra loro in un modo speciale, dando origine a una gamma di possibili modelli. Sebbene i modelli sembrino convincenti, gli scienziati non sono stati in grado di dimostrare questa teoria del modello del mantello animale.
Ma il nostro studio ha dimostrato che il meccanismo di formazione del pattern è più complicato di quanto potrebbe suggerire un semplice modello di Turing. Oltre ai melanofori e agli xantofori, sappiamo che anche gli iridofori svolgono un ruolo importante. Queste cellule riflettenti conferiscono al pesce zebra il loro caratteristico aspetto argenteo. Gli esperimenti hanno dimostrato che senza iridofori (o nessuno degli altri due tipi di cellule) il caratteristico motivo a strisce del pesce zebra non si forma correttamente.
Zebrafish mutante
Volevamo scoprire quali fenomeni biologici sono cruciali per la formazione di modelli e quali sono solo accidentali. È possibile rispondere a questo tipo di domande con la modellazione matematica.
Abbiamo costruito un modello "basato su agenti" (un codice di computer in cui ogni cellula è rappresentata come un individuo in grado di muoversi e interagire con gli altri) che include quanto più possibile della biologia nota del modello zebrafish. Una volta adattato il modello per mostrare che poteva riprodurre i modelli visti nel pesce zebra normale, ci siamo rivolti ai modelli formati dal pesce zebra mutante (pesce con un difetto genetico che cambia il loro schema) e abbiamo modificato le regole del modello per assicurarci che potesse replicare anche quelli .
Altri zebrafish mutanti, i cui schemi non sono stati utilizzati per costruire il modello in primo luogo, hanno agito come test indipendenti della capacità di replica del modello del modello. Essere in grado di imitare questi altri modelli ci ha dato fiducia nelle regole del modello che avevamo dedotto.
Il modello replica le strisce nere di melanoforo spezzate del mutante pfeffer zebrafish su uno sfondo iridescente iridoforo. I mutanti di Pfeffer sono carenti negli xantofori gialli.
Ad esempio, il mutante "choker" ha un difetto che significa che gli iridofori argentati non migrano sulla pelle in modo normale. Quando abbiamo implementato questa consegna aberrante di iridofori nel modello (ma essenzialmente con tutte le stesse regole), abbiamo ricreato in modo ordinato il sorprendente schema labirintico visto in questi pesci.
Il modello replica il modello labirintico esibito dai mutanti del girocollo. Questi pesci mutanti mancano di una striscia orizzontale iniziale di iridofori al centro dell'embrione.
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E poi arriva la parte davvero emozionante. Il bello della modellazione matematica è che una volta che sei sicuro che il tuo modello acquisisce la biologia, puoi iniziare a giocarci e porre domande biologiche a cui è difficile rispondere solo attraverso esperimenti.
Ad esempio, siamo stati in grado di dimostrare che parte del motivo per cui le strisce di pesce zebra sono orizzontali (al contrario delle strisce verticali del suo omonimo mammifero) è dovuto al modo in cui il corpo cresce man mano che il modello si forma. La crescita più rapida lungo l'asse testa-coda (piuttosto che l'asse posteriore-ventre) del pesce tende ad allungare gruppi di cellule pigmentate in strisce orizzontali piuttosto che barre verticali.
Poiché la formazione del pattern è un'importante caratteristica generale dello sviluppo degli organi, potrebbe esserci rilevanza medica per la nostra ricerca. Una migliore comprensione della formazione del modello di pigmento potrebbe darci informazioni sulle malattie causate da difetti nella disposizione delle cellule.
Con un modello matematico funzionante non c'è fine alle domande che possiamo porre sulla formazione del modello di pigmento nel pesce zebra e in altre specie. In particolare, il nostro prossimo obiettivo è indagare le origini evolutive della formazione di strisce nell'ampia famiglia di pesci Danio, di cui il pesce zebra (o Danio rerio) è un membro. E questo ci aiuterà a ottenere una visione ancora più profonda di come il pesce zebra ha davvero ottenuto le sue strisce.
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Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale. | Autore: Christian Yates, docente senior di biologia matematica, Università di Bath
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