O crescimento de um organismo segue um padrão de ondas

Os pesquisadores do MIT observam ondulações em um óvulo recém-fertilizado que são semelhantes a outros sistemas, desde circulações oceânicas e atmosféricas até fluidos quânticos.
Créditos: Cortesia dos pesquisadores

O estudo mostra que as ondulações em um óvulo recém-fertilizado são semelhantes a outros sistemas, desde as circulações oceânicas e atmosféricas até fluidos quânticos.

Jennifer Chu | Escritório de notícias do MIT Data de publicação:23 de março de 2020

Quando um óvulo de quase qualquer espécie que se reproduz sexualmente é fertilizado, ele desencadeia uma série de ondas que ondulam pela superfície do óvulo. Estas ondas são produzidas por milhares de milhões de proteínas activadas que surgem através da membrana do ovo como correntes de pequenas sentinelas escavadoras, sinalizando ao ovo para começar a dividir-se, dobrar-se e dividir-se novamente, para formar as primeiras sementes celulares de um organismo.

Agora, os cientistas do MIT analisaram detalhadamente o padrão dessas ondas, produzidas na superfície dos ovos das estrelas do mar. Esses ovos são grandes e, portanto, fáceis de observar, e os cientistas consideram os ovos de estrelas do mar representativos dos ovos de muitas outras espécies animais.

Em cada óvulo, a equipe introduziu uma proteína para imitar o início da fertilização e registrou o padrão de ondas que ondulavam em suas superfícies em resposta. Eles observaram que cada onda emergia em um padrão espiral e que múltiplas espirais giravam na superfície de um ovo de cada vez. Algumas espirais apareceram espontaneamente e giraram em direções opostas, enquanto outras colidiram de frente e desapareceram imediatamente.

O comportamento dessas ondas rodopiantes, perceberam os pesquisadores, é semelhante às ondas geradas em outros sistemas aparentemente não relacionados, como os vórtices nos fluidos quânticos, as circulações na atmosfera e nos oceanos, e os sinais elétricos que se propagam através do coração e cérebro.

"Não se sabia muito sobre a dinâmica dessas ondas superficiais nos ovos, e depois que começamos a analisar e modelar essas ondas, descobrimos que esses mesmos padrões aparecem em todos esses outros sistemas", diz o físico Nikta Fakhri, o Thomas D. e Virginia. W. Cabot Professor Assistente no MIT. "É uma manifestação deste padrão de onda muito universal."

Isso abre uma perspectiva completamente nova", acrescenta Jörn Dunkel, professor associado de matemática no MIT. "Você pode pegar emprestadas muitas técnicas que as pessoas desenvolveram para estudar padrões semelhantes em outros sistemas, para aprender algo sobre biologia.

Fakhri e Dunkel publicaram seus resultados hoje na revista Nature Physics. Seus coautores são Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller e Melis Tekant do MIT.

Encontrando o centro

Estudos anteriores demonstraram que a fertilização de um óvulo ativa imediatamente o Rho-GTP, uma proteína dentro do óvulo que normalmente flutua no citoplasma da célula em estado inativo. Uma vez ativadas, bilhões de proteínas emergem do pântano do citoplasma para se fixarem na membrana do ovo, serpenteando ao longo da parede em ondas.

"Imagine se você tem um aquário muito sujo e, quando um peixe nada perto do vidro, você consegue vê-lo", explica Dunkel. "De forma semelhante, as proteínas estão em algum lugar dentro da célula e, quando são ativadas, fixam-se à membrana e você começa a vê-las se moverem."

Fakhri diz que as ondas de proteínas que se movem através da membrana do ovo servem, em parte, para organizar a divisão celular em torno do núcleo da célula.

"O óvulo é uma célula enorme e estas proteínas têm de trabalhar em conjunto para encontrar o seu centro, para que a célula saiba onde se dividir e dobrar, muitas vezes, para formar um organismo", diz Fakhri. "Sem essas proteínas fazendo ondas, não haveria divisão celular."

Os pesquisadores do MIT observam ondulações em um óvulo recém-fertilizado que são semelhantes a outros sistemas, desde circulações oceânicas e atmosféricas até fluidos quânticos. Cortesia dos pesquisadores.

Em seu estudo, a equipe se concentrou na forma ativa do Rho-GTP e no padrão de ondas produzidas na superfície do ovo quando alteravam a concentração da proteína.

Para seus experimentos, eles obtiveram cerca de 10 óvulos de ovários de estrelas do mar por meio de um procedimento cirúrgico minimamente invasivo. Eles introduziram um hormônio para estimular a maturação e também injetaram marcadores fluorescentes para se ligarem a quaisquer formas ativas de Rho-GTP que surgissem em resposta. Eles então observaram cada ovo através de um microscópio confocal e observaram como bilhões de proteínas eram ativadas e ondulavam na superfície do ovo em resposta a concentrações variadas da proteína hormonal artificial.

"Desta forma, criamos um caleidoscópio de diferentes padrões e observamos a dinâmica resultante", diz Fakhri.

Trilha do furacão

Os investigadores primeiro montaram vídeos a preto e branco de cada ovo, mostrando as ondas brilhantes que viajavam pela sua superfície. Quanto mais brilhante for uma região de uma onda, maior será a concentração de Rho-GTP nessa região específica. Para cada vídeo, eles compararam o brilho, ou concentração de proteína de pixel a pixel, e usaram essas comparações para gerar uma animação dos mesmos padrões de onda.

A partir dos seus vídeos, a equipa observou que as ondas pareciam oscilar para fora como pequenas espirais semelhantes a um furacão. Os pesquisadores rastrearam a origem de cada onda até o centro de cada espiral, ao qual se referem como um "defeito topológico". Por curiosidade, eles próprios rastrearam o movimento desses defeitos. Eles fizeram algumas análises estatísticas para determinar a rapidez com que certos defeitos se moviam na superfície de um ovo, e com que frequência e em que configurações as espirais apareciam, colidiam e desapareciam.

Numa reviravolta surpreendente, descobriram que os seus resultados estatísticos e o comportamento das ondas na superfície de um ovo eram iguais ao comportamento das ondas noutros sistemas maiores e aparentemente não relacionados.

"Quando você olha as estatísticas desses defeitos, é essencialmente o mesmo que vórtices em um fluido, ou ondas no cérebro, ou sistemas em escala maior", diz Dunkel. "É o mesmo fenômeno universal, apenas reduzido ao nível de uma célula."

Os pesquisadores estão particularmente interessados ​​na semelhança das ondas com as ideias da computação quântica. Assim como o padrão de ondas de um ovo transmite sinais específicos, neste caso da divisão celular, a computação quântica é uma área que visa manipular átomos de um fluido, em padrões precisos, para traduzir informações e realizar cálculos.

"Talvez agora possamos pegar emprestadas ideias de fluidos quânticos para construir minicomputadores a partir de células biológicas", diz Fakhri. "Esperamos algumas diferenças, mas tentaremos explorar mais [as ondas de sinalização biológica] como uma ferramenta de computação."

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela Fundação James S. McDonnell, pela Fundação Alfred P. Sloan e pela National Science Foundation.
Fonte:
https://news.mit.edu/2020/growth-organism-waves-0323