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Apr 25, 2023

L'architettura e il meccanismo di funzionamento di un organello pungente cnidario

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3494 (2022) Citare questo articolo

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Gli organelli urticanti di meduse, anemoni di mare e altri cnidari, noti come nematocisti, sono straordinarie armi cellulari utilizzate sia per la predazione che per la difesa. Le nematocisti sono costituite da una capsula pressurizzata contenente un filo arrotolato simile ad un arpione. Queste strutture sono a loro volta costruite all'interno di cellule specializzate note come nematociti. Quando viene attivata, la capsula si scarica in modo esplosivo, espellendo il filo a spirale che perfora il bersaglio e si allunga rapidamente capovolgendosi in un processo chiamato eversione. A causa della complessità strutturale del filo e dell'estrema velocità di scarica, i meccanismi precisi dell'attivazione delle nematocisti sono rimasti sfuggenti7. Qui, utilizzando una combinazione di imaging dal vivo e ad alta risoluzione, microscopia elettronica 3D e perturbazioni genetiche, definiamo la sequenza passo-passo del funzionamento della nematocisti nel modello di anemone di mare Nematostella vectensis. Questa analisi rivela le complesse trasformazioni biomeccaniche alla base del meccanismo operativo delle nematocisti, una delle micro-macchine biologiche più raffinate della natura. Inoltre, questo studio fornirà informazioni sulla forma e sulla funzione dei relativi organelli cnidari e fungerà da modello per la progettazione di microdispositivi bioispirati.

Le nematocisti degli Cnidari sono armi subcellulari complesse con forme e funzioni altamente specializzate1,2. Le nematocisti sono organelli intracellulari derivati ​​dal Golgi costituiti da filamenti velenosi racchiusi all'interno di una capsula pressurizzata3,4. Quando viene attivata, la capsula si scarica, espellendo il suo filo come un arpione che penetra nei bersagli, rilasciando un cocktail di neurotossine5,6,7,8,9,10. A livello cellulare, lo scarico delle nematocisti è tra i processi meccanici più veloci in natura, noto per essere completato entro 3 millisecondi nelle nematocisti dell'Idra11,12. Le misurazioni eseguite su video ad alta velocità degli stenoteli di Hydra rivelano che la fase iniziale dell'esplosione della capsula guidata dalla pressione e la successiva espulsione del filo avviene in soli 700 nanosecondi12. Questa fase iniziale di scarica esplosiva è paragonabile ad altri sistemi di proiettili ultraveloci presenti in natura come la scarica di spore fungine, l'espulsione di polline e la scarica di organelli balistici di dinoflagellati13,14.

Studi precedenti indicano che l'alta velocità di scarico delle nematocisti è determinata dall'accumulo di pressione osmotica all'interno della capsula da parte di una matrice di polimeri poli-γ-glutammato (PG) che legano cationi e dalla parete della capsula elasticamente allungata che rilascia energia mediante una potente molla. meccanismo simile durante la scarica2,12,15,16. All'attivazione, ma prima della scarica, la capsula raddoppia circa il suo volume a causa del rapido afflusso di acqua17. Ciò provoca un rigonfiamento osmotico della matrice e un allungamento della parete della capsula2,18. Questa energia viene successivamente utilizzata per espellere il filo ad alta velocità, che colpisce e penetra nel tessuto bersaglio. Le fasi successive dello scarico delle nematocisti comportano l'allungamento del filo, che procede in tempi più lenti e si completa in millisecondi11. Durante questa fase, il filo della nematocisti subisce una trasformazione di forma, rivoltandosi attraverso un processo chiamato eversione che è causato dal rilascio sia della pressione generata osmoticamente che dell'energia elastica immagazzinata nel filo17,19,20. Pertanto, la nematocisti opera in fasi distinte che comportano una fase iniziale di perforazione del bersaglio e fasi successive di eversione per formare un lume.

Le caratteristiche delle nematocisti variano in modo significativo tra le diverse specie di cnidari, mostrando diversità nella dimensione della capsula e nella morfologia del filo, ma mantengono tutti un meccanismo di funzionamento simile che coinvolge un tubulo evertibile guidato dall'espulsione esplosiva2,21,22,23. Per esplorare la biologia delle nematocisti in un sistema geneticamente trattabile, qui interroghiamo il funzionamento del filo della nematocisti nell'anemone di mare Nematostella vectensis. Nematostella ospita due tipi di nematocisti: p-mastigofori microbasici e isorhize basitriche, queste ultime con varietà corte e lunghe24,25. Negli anemoni di mare, le capsule delle nematocisti sono sigillate da tre lembi apicali collegati al filo urticante26,27,28. Questo filo è composto da due sottostrutture distinte: un fusto corto, rigido e fibroso e un tubulo lungo e sottile decorato con barbe17,22. L'asta è composta da tre filamenti avvolti elicoidalmente e viene inizialmente espulsa come un proiettile compresso, perforando il bersaglio, e successivamente si rovescia per formare un lume attraverso il quale viene rilasciato il resto del filo, il tubulo17. Sebbene sia noto che l’eversione dell’albero comporta una trasformazione geometrica da una bobina strettamente compressa a una siringa cava, i meccanismi che guidano questo processo sono poco conosciuti. Inoltre, l'eversione del tubulo differisce significativamente da quella dell'albero a tripla elica, poiché il tubulo si rovescia girandosi verso l'esterno in assenza di filamenti elicoidali26,29. Il rilascio della pressione e dell'energia elastica immagazzinata nella capsula è teoricamente sufficiente per guidare l'espulsione iniziale e la penetrazione dell'asta, tuttavia è probabile che siano necessarie ulteriori fonti di energia per un ulteriore allungamento del filo5,19,20. A causa della velocità e della complessità di questi eventi, le fasi precise della scarica e dell'eversione sono rimaste finora sfuggenti.