I ricercatori simulano il movimento degli organismi unicellulari

Un team di ricerca presso il TU Wien (Vienna) ha simulato con successo il processo di movimento degli organismi unicellulari in una direzione desiderata, nonostante non abbiano un cervello o un sistema nervoso. Prima di questi nuovi sviluppi, i ricercatori non erano sicuri di come questi piccoli organismi fossero in grado di svolgere tale processo.

Il team ha calcolato l’interazione fisica tra un modello organismo semplice e il suo ambiente, con quest’ultimo rappresentato da un liquido con una composizione chimica non uniforme contenente fonti di cibo distribuite in modo irregolare.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista PNAS.

L’organismo simulato

I ricercatori hanno dotato l’organismo simulato della capacità di elaborare dati sul suo cibo e ambiente. Sfruttando un algoritmo di apprendimento automatico, l’elaborazione delle informazioni poteva essere modificata e ottimizzata in passaggi evolutivi. Ciò significava che i ricercatori hanno sviluppato un organismo informatico in grado di muoversi e cercare cibo in modo simile a quello degli organismi reali.

Andreas Zöttl ha guidato il progetto di ricerca presso l’Istituto di Fisica Teorica del TU Wien.

“A prima vista, è sorprendente che un modello così semplice possa risolvere un compito così difficile,” dice Zöttl. “I batteri possono utilizzare recettori per determinare in quale direzione, ad esempio, la concentrazione di ossigeno o nutrienti è in aumento, e queste informazioni scatenano poi un movimento nella direzione desiderata. Ciò si chiama chemiotassi.”

Mentre gli organismi multicellulari hanno un collegamento di cellule nervose, gli organismi unicellulari non hanno cellule nervose. A causa di ciò, possono eseguire solo passaggi di elaborazione semplici all’interno della cellula.

“Per poter spiegare ciò, è necessario un modello fisico realistico per il movimento di questi organismi unicellulari,” dice Zöttl. “Abbiamo scelto il modello più semplice possibile che fisicamente consente un movimento indipendente in un fluido in primo luogo. Il nostro organismo unicellulare consiste di tre masse collegate da muscoli semplificati. La domanda ora sorge: possono questi muscoli essere coordinati in modo tale che l’intero organismo si muova nella direzione desiderata? E soprattutto: può questo processo essere realizzato in modo semplice, o richiede un controllo complesso?”

Implementazione del modello informatico

Benedikt Hartl è stato colui che ha implementato il modello sul computer.

“Anche se l’organismo unicellulare non ha una rete di cellule nervose — i passaggi logici che collegano le sue ‘impressioni sensoriali’ con il suo movimento possono essere descritti matematicamente in modo simile a una rete neurale,” dice Hartl.

Gli organismi unicellulari hanno collegamenti logici tra diversi elementi della cellula, e il movimento si verifica quando vengono attivati segnali chimici.

Maximilian Hübl ha completato diversi calcoli nella ricerca.

“Questi elementi e il modo in cui si influenzano a vicenda sono stati simulati sul computer e regolati con un algoritmo genetico: generazione dopo generazione, la strategia di movimento degli organismi unicellulari virtuali è stata cambiata leggermente,” riferisce Hübl.

Quando gli organismi unicellulari sono riusciti a dirigere il loro movimento verso i chimici desiderati, sono stati autorizzati a “riprodursi”, mentre quelli che non ci sono riusciti “sono estinti”. Dopo molte generazioni, si è verificata una sorta di evoluzione e una rete di controllo è emersa. Questa rete ha consentito a un organismo unicellulare virtuale di convertire percezioni chimiche in movimento mirato, e lo fa in modo semplice e con circuiti di base.

“Non dovresti pensare a questo come a un animale altamente sviluppato che percepisce consapevolmente qualcosa e poi corre verso di esso,” dice Zöttl. “È più come un movimento di oscillazione casuale. Ma uno che alla fine conduce nella direzione giusta in media. E questo è esattamente ciò che si osserva negli organismi unicellulari in natura.”