Come fanno decine di migliaia di persone, in un grande stadio di calcio, ad applaudire tutte insieme con lo stesso ritmo anche se riescono a sentire solo l’applauso delle persone accanto a loro? Una combinazione di un’equazione differenziale parziale e un circuito sintetico in un tipo di microrganismi risponde a questa domanda.

Un team interdisciplinare composto da Jae Kyoung Kim del KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), Kresimir Josic dell’Università di Houston e Matt Bennett della Rice University ha identificato in che modo una grande comunità può comunicare tra loro quasi simultaneamente anche con segnali a distanza molto breve. La ricerca è stata riportata su Nature Chemical Biology.

Spesso, le cellule comunicano utilizzando molecole di segnalazione, che possono viaggiare solo a breve distanza. Tuttavia, le cellule possono anche comunicare su grandi distanze, allo scopo di stimolare un’azione collettiva. Gli scienziati hanno rivelato un meccanismo di comunicazione cellulare che forma rapidamente una rete di interazioni locali per stimolare l’azione collettiva, anche nelle grandi comunità.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato un circuito trascrizionale ingegnerizzato di circuiti combinati di feedback positivo e negativo nell’E. coli, che rilascia periodicamente due tipi di molecole di segnalazione: “attivatore” e “repressore”. Quando le molecole di segnalazione viaggiano a breve distanza, le cellule possono parlare solo con le cellule più vicine. Tuttavia, le comunità cellulari sincronizzano l’espressione del gene oscillatorio in sistemi spazialmente estesi purché il circuito trascrizionale contenga un circuito di feedback positivo per l’attivatore. Il professor Kim ha spiegato che l’analisi e la comprensione di tali dinamiche ad alta dimensione sono sempre state molto complicate, “ecco perché abbiamo usato un’equazione differenziale parziale ad alta dimensione per descrivere il sistema basato sulle interazioni tra i vari tipi di molecole”. Il modello matematico ottenuto simula accuratamente la sintesi delle molecole di segnalazione nella cellula, la loro diffusione spaziale e il loro effetto sulle cellule vicine.

Il gruppo di studiosi ha semplificato il sistema ad alta dimensione in un’orbita unidimensionale, osservando che il sistema si ripete periodicamente. Questo ha permesso loro di scoprire che le cellule possono creare una “voce” unica quando abbassano la propria e ascoltano le altre. “Abbiamo scoperto che il circuito di feedback positivo riduce la distanza tra i punti in movimento e infine li fa muovere tutti insieme. Ecco perché si applaude più forte quando si sentono gli applausi dei vicini più prossimi e tutti alla fine battono le mani quasi nello stesso momento”, ha aggiunto Kim. “La matematica è potente in quanto semplifica le cose complesse in modo da poter trovare una proprietà fondamentale sottostante. Questa scoperta non sarebbe stata possibile senza la semplificazione di sistemi complessi che utilizzano la matematica”.