Come fa il pulcino a uscire dall’uovo? Il segreto è nella nanostruttura del guscio

Una nuova scoperta che potrebbe avere importanti ricadute per la sicurezza alimentare

[6 aprile 2018]

Com’è possibile che le uova di pollo fecondate riescano a resistere a impatti e pesi abbastanza forti che subiscono dall’esterno e che poi basti il becco di un debole pulcino per aprirle dall’interno? la risposta arriva dallo studio “Nanostructure, osteopontin, and mechanical properties of calcitic avian eggshell” pubblicato da un team internazionale di ricercatori, che spiega che il “trucco”  è tutto nella nanostruttura del guscio d’uovo.  Alla McGill University di Montreal, che ha guidato il team di ricerca, sono convinti che «I risultati, riportati su Science Advances, potrebbero avere importanti implicazioni per la sicurezza alimentare nell’industria agroalimentare».

I ricercatori canadesi, spagnoli, tedeschi e statunitensi, finanziati dal Natural sciences and engineering research council e dal Canadian institutes of health research, spiegano che «Gli uccelli hanno usufruito di milioni di anni di evoluzione per creare il perfetto guscio d’uovo, una camera biomineralizzata sottile e protettiva per la crescita embrionale che contiene tutti i nutrienti necessari per la crescita di un pulcino. Il guscio, non essendo troppo forte, ma anche non troppo debole (essendo “just right” direbbe Riccioli d’oro), è resistente alla fratturazione fino al momento della schiusa.

Ma cosa rende così resistenti e allo stesso tempo così fragili i gisci delle uova?  Per scoprirlo, il team di ricerca Marc McKee, della facoltà di odontoiatria, e il gruppo di ingegneri di Richard Chromik della McGill, hanno utilizzato nuove tecniche di preparazione dei campioni per guardare all’interno dei gusci d’uovo per poter studiare la loro nanostruttura molecolare e le loro proprietà meccaniche.

McKee, che insegna akl  Dipartimento di anatomia e biologia cellulare della McGill, sottolinea che «I gusci d’uovo sono notoriamente difficili da studiare con i mezzi tradizionali, perché si rompono facilmente quando proviamo a creare una fetta sottile per l’imaging mediante microscopia elettronica. Grazie ad un nuovo sistema di sezionamento a fasci di ioni focalizzato realizzato recentemente dalla Facility for Electron Microscopy Research della McGill, siamo stati in grado di tagliare molto accuratamente e di prendere un  campione e l’immagine dell’interno della calotta».

Contenendo sia calcio che abbondanti proteine, i gusci d’uovo sono fatti sia di materia inorganica che organica, e la principale autrice dello studio, Dimitra Athanasiadou, della Faculty of dentistry della  McGill University, ha scoperto che «Un fattore che determina la resistenza del guscio è la presenza di minerale nanostrutturato associato a osteopontina, una proteina del guscio d’uovo presente anche in materiali biologici compositi come l’osso».

Inoltre, i risultati dello studio forniscono informazioni sulla biologia e lo sviluppo degli embrioni di pollo nelle uova fertilizzate e incubate. Il team ha esaminato per 15 giorni i gusci di uova fecondate incubate e le ha confrontate con le uova sterilizzate, scoprendo così l’osteopontina , che si trova in tutto il guscio, sarebbe vitale per l’organizzazione della struttura minerale del guscio. In un uovo sviluppato, i minerali nello strato esterno del guscio sono densamente “impacchettati” e ricchi di osteopontina. Ma gli strati di uovo interno hanno una diversa struttura, che ha meno osteopontina e minore densità minerale. Nelle uova non incubate, la nanostruttura non è cambiata. Ma nelle uova fecondate e incubate, la struttura interna dell’uovo sembrava cambiare nel tempo.  «Le uova sono sufficientemente dure una volta deposte e durante la cova per proteggerle dalla rottura – spiegano ancora i ricercatori –  Mentre il pulcino cresce all’interno del guscio, ha bisogno di calcio per formare le sue ossa. Durante l’incubazione delle uova, la parte interna del guscio si dissolve per fornire questa riserva di ioni minerali, mentre allo stesso tempo indebolisce il guscio abbastanza da essere rotto dal pulcino alla schiusa».

Utilizzando l’atomic force microscopy e i metodi di imaging a elettroni e a raggi X, il team di  McKee ha scoperto che «questa relazione a doppia funzione è possibile grazie a minuscole modifiche nella nanostruttura del guscio  che si verifica durante l’incubazione delle uova». Probabilmente, l’osteopontina  perturba la formazione ordinata di cristalli di calcio nel guscio, creando un guscio più forte. Su scala nanometrica , l’introduzione della proteina impedisce la formazione di una struttura cristallina liscia e uniforme e, invece, fa sì che la struttura sia più irregolare, il che rafforza il guscio esterno. Questo è il motivo per cui una crepa in un uovo forma uno schema a zig-zag invece di aprirsi in modo netto: la rottura deve trovare punti deboli per farsi strada attraverso la struttura cristallina nascosta.

Durante esperimenti paralleli, aggiungendo osteopontina ai cristalli minerali coltivati ​​in laboratorio, i ricercatori sono stati anche in grado di ricreare una nanostruttura simile a quella che hanno scoperto nel guscio.  McKee ritiene che «Una migliore comprensione del ruolo delle proteine ​​negli eventi di calcificazione che portano all’indurimento e al rafforzamento delle uova attraverso la biomineralizzazione potrebbe avere importanti implicazioni per la sicurezza alimentare. Circa il 10-20% delle uova di gallina si rompono o si ammaccano, il che aumenta il rischio di avvelenamento da salmonella. Capire come la nanostruttura minerale contribuisca alla resistenza del guscio permetterà di selezionare nelle galline ovaiole i tratti genetici per produrre uova sempre più forti per una maggiore sicurezza alimentare».