En muchas especies, incluidos los humanos, las células responsables de la reproducción, las células germinales, a menudo están muy interconectados y comparten su citoplasma. En el nematodo hermafrodita Caenorhabditis elegans, hasta 500 células germinales están conectadas entre sí en la gónada, el tejido que produce óvulos y espermatozoides. Estas células están dispuestas alrededor de un "corredor" citoplasmático central e intercambian material citoplásmico que fomenta el crecimiento celular. y finalmente producir ovocitos listos para ser fertilizados.

En estudios anteriores, Los investigadores han descubierto que las gónadas de C. elegans generan más células germinales de las necesarias y que solo la mitad de ellas crecen para convertirse en ovocitos. mientras que el resto se encoge y muere por apoptosis fisiológica, una muerte celular programada que ocurre en organismos multicelulares. Ahora, científicos del Centro de Biotecnología de la TU Dresden (BIOTEC), el Instituto Max Planck de Biología Celular y Genética Molecular (MPI-CBG), el Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) en la TU Dresden, el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos (MPI-PKS), el Instituto Flatiron, NUEVA YORK, y la Universidad de California, Berkeley, han encontrado evidencia para responder a la pregunta de qué desencadena esta decisión del destino celular entre la vida y la muerte en la línea germinal.

Estudios anteriores revelaron la base genética y las señales bioquímicas que impulsan la muerte celular fisiológica, pero los mecanismos que seleccionan e inician la apoptosis en células germinales individuales siguen sin estar claros. A medida que las células germinales maduran a lo largo de la gónada del nematodo, primero crecen colectivamente en tamaño y volumen de manera homogénea. En el estudio recién publicado en Física de la naturaleza , los científicos muestran que este crecimiento homogéneo cambia repentinamente a un crecimiento heterogéneo donde algunas células se vuelven más grandes y otras más pequeñas.

El investigador Nicolas Chartier en el grupo de Stephan Grill, y co-primer autor del estudio, explica, "Analizando con precisión los volúmenes de células germinales y los flujos de material citoplásmico en gusanos vivos y desarrollando modelos teóricos, hemos identificado una inestabilidad hidráulica que amplifica pequeñas diferencias iniciales de volumen aleatorias, lo que hace que algunas células germinales aumenten de volumen a expensas de otras que se encogen. Es un fenomeno, que se puede comparar con la inestabilidad de dos globos, bien conocido de los físicos. Tal inestabilidad surge al soplar simultáneamente en dos globos de goma que intentan inflarlos a ambos. Solo se inflará el globo más grande, porque tiene una presión interna más baja que la más pequeña, y por lo tanto es más fácil de inflar ".

Esto es lo que está en juego en la selección de células germinales:tales diferencias de presión tienden a desestabilizar la configuración simétrica con volúmenes iguales de células germinales, las llamadas inestabilidades hidráulicas, conduciendo al crecimiento de la célula germinal más grande a expensas de la más pequeña. Al reducir artificialmente los volúmenes de células germinales mediante bombeo termoviscoso (método FLUCS:flujo citoplásmico inducido por luz enfocada), el equipo demostró que la reducción de los volúmenes celulares conduce a su extrusión y muerte celular, lo que indica que una vez que una celda está por debajo de un tamaño crítico, se induce la apoptosis y la célula muere.

Mediante el uso de imágenes confocales, los investigadores pudieron obtener imágenes del organismo completo del gusano vivo para recibir una imagen global y precisa de los volúmenes de todas las células gónadas, así como el intercambio de fluidos entre las células. Stephan Grill, Ponente del Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) y supervisor del trabajo multidisciplinar, agrega, "Estos hallazgos son muy interesantes porque revelan que la decisión de vida o muerte en las células es de naturaleza mecánica y está relacionada con la hidráulica de los tejidos. Ayuda a comprender cómo el organismo selecciona automáticamente una célula que se convertirá en un huevo. Además, el estudio es otro ejemplo de la excelente cooperación entre biólogos, físicos y matemáticos en Dresde ".