Scutoid: Ένα νέο σχήμα της φύσης στη γεωμετρία που επιτρέπει σταθερές και ενεργειακά αποδοτικές δομές

Ένα καινούριο σχήμα που συναντάται στη φύση περιέγραψαν επιστήμονες από την Ισπανία, την Αμερική και την Αγγλία σε πρόσφατη δημοσίευσή τους στο Nature Communications. Οι επιστήμονες έδωσαν το όνομα scutoid στο νέο αυτό σχήμα, το οποίο συναντάται στις κυρτές και τις κοίλες επιφάνειες που σχηματίζουν τα επιθηλιακά κύτταρα στις δομές του σώματός μας. Η ανακάλυψη αυτού του σχήματος στρώνει το έδαφος για την περαιτέρω κατανόηση της ανάπτυξης των οργανισμών αλλά επίσης είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για την μηχανική των ιστών και την αναγεννητική ιατρική.

Τα επιθηλιακά κύτταρα αποτελούν έναν ξεχωριστό κυτταρικό τύπο, ο οποίος καλύπτει τις εξωτερικές και τις εσωτερικές επιφάνειες των οργάνων των οργανισμών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα επιθηλίου αποτελεί η επιδερμίδα, δηλαδή η εξωτερική στιβάδα του δέρματος. Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης, τα επιθηλιακά κύτταρα χρειάζεται να πάρουν διάφορα σχήματα ώστε να ανταποκριθούν στις κυρτές και στις κοίλες επιφάνειες των υπό ανάπτυξη οργάνων. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες είχαν παρατηρήσει πως τα κύτταρα αυτά μπορούσαν να πάρουν το σχήμα ενός πρίσματος, ενός πρισματοειδούς ή ενός κόλουρου κώνου (frustrum). Οι δομές αυτές παρατηρούνται κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του οργανισμού, κατά τις οποίες τα επιθηλιακά κύτταρα ανασυγκροτούνται ώστε να σχηματιστεί η τελική μορφή του οργάνου.

Οι επιστήμονες τώρα ανακάλυψαν πως τα κύτταρα παίρνουν ένα σχήμα το οποίο δεν είχε περιγραφεί μέχρι τώρα, που επιτρέπει στα επιθηλιακά κύτταρα των κυρτών και κοίλων επιφανειών να αποκτήσουν την πιο σταθερή και ενεργειακά αποδοτική μορφή. Το τρισδιάστατο αυτό σχήμα αυτό μοιάζει με ένα πρισματοειδές το οποίο όμως έχει ένα χαρακτηριστικό τρίγωνο ανάμεσα σε δύο επιφάνειές του, που επιτρέπει στα κύτταρα να πακετάρονται με αποτελεσματικό τρόπο σε λυγισμένες επιφάνειες. Μάλιστα, το όνομα του σχήματος εμπνεύστηκε από τον θυρεό (scutellum), μια χαρακτηριστική δομή του θώρακα των εντόμων.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τα διαγράμματα Voronoi για να μελετήσουν τη διάταξη των κυττάρων στις λυγισμένες επιφάνειες. Τα διαγράμματα αυτά είναι μία μέθοδος ανακατασκευής της επιφάνειας και έχουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, από την διερεύνηση της δομής των κρυστάλλων μέχρι την ανθρωπογεωγραφία.

«Εκτός του εμπλουτισμού της γνώσης μας για τη μορφογένεση, η δυνατότητα για την τεχνητή κατασκευή ιστών και οργάνων στο μέλλον προϋποθέτει την κατανόηση της τρισδιάστατης διάταξης των κυττάρων στον χώρο», σημειώνουν οι ερευνητές στο δελτίο τύπο του Lehigh University των ΗΠΑ, ενώ ο ερευνητής James Buceta συμπληρώνει πως «για παράδειγμα, εάν στόχος μας είναι η ανάπτυξη ενός τεχνητού οργάνου, η ανακάλυψη αυτή μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία ενός καλουπιού το οποίο θα κατευθύνει το πακετάρισμα των κυττάρων με βάση το σχήμα scutoid, ώστε να μιμηθούμε φυσικό τρόπο σχηματισμό των ιστών του οργάνου».

Πηγή: Lehigh University

Περισσότερα στη δημοσίευση: Scutoids are a geometrical solution to three-dimensional packing of epithelia. Nature Communications.

Επαφή με ερευνητή:

Our paper on 3D packing of epithelia is out now. We model curved epithelia and predict that cells adopt a previously undescribed geometrical shape that we call “scutoid”. We confirm the presence of scutoids in several curved tissues. Scutoids are nature solution to bend epithelia pic.twitter.com/c6AYlpzFYC

— LM Escudero (@lmescu) 27 Ιουλίου 2018