• Ciência Surpreendente

O crescimento de um organismo segue um padrão de ondas

O estudo mostra que as ondulações em um ovo recém-fertilizado são semelhantes às circulações oceânica e atmosférica.

Quando um óvulo de quase todas as espécies que se reproduzem sexualmente é fertilizado, ele desencadeia uma série de ondas que se propagam pela superfície do óvulo.

Essas ondas são produzidas por bilhões de proteínas ativadas que surgem através da membrana do ovo como fluxos de minúsculas sentinelas, sinalizando para o ovo começar a se dividir, dobrar e se dividir novamente, para formar as primeiras sementes celulares de um organismo.

Agora, os cientistas do MIT deram uma olhada detalhada no padrão dessas ondas, produzidas na superfície dos ovos de 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 ovo, 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 várias 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 giratórias, os pesquisadores perceberam, 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 de superfície em 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 do MIT. 'É uma manifestação desse padrão de onda universal.'

“Isso abre uma perspectiva completamente nova”, acrescenta Jörn Dunkel, professor associado de matemática do 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 no jornal Nature Physics. Seus co-autores são Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller e Melis Tekant do MIT.

Encontrando o seu centro

Estudos anteriores mostraram que a fertilização de um ovo ativa imediatamente Rho-GTP, uma proteína dentro do ovo que normalmente flutua no citoplasma da célula em um estado inativo. Uma vez ativada, bilhões da proteína sobem do pântano do citoplasma para se prender à 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 pode vê-lo”, explica Dunkel. 'De maneira semelhante, as proteínas estão em algum lugar dentro da célula e, quando são ativadas, se fixam na membrana e você começa a vê-las se mover.'

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

“O ovo é uma célula enorme e essas proteínas precisam trabalhar juntas para encontrar seu centro, de modo que a célula saiba onde se dividir e se dobrar, muitas vezes, para formar um organismo”, diz Fakhri. 'Sem essas proteínas criando ondas, não haveria divisão celular.'

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

Em seu estudo, a equipe se concentrou na forma ativa de Rho-GTP e no padrão de ondas produzidas na superfície de um ovo quando alteraram 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 ativadas e onduladas pela superfície do ovo em resposta a concentrações variáveis ​​da proteína hormonal artificial.

“Dessa forma, criamos um caleidoscópio de diferentes padrões e observamos sua dinâmica resultante”, diz Fakhri.

Pista de furacão

Os pesquisadores primeiro montaram vídeos em preto e branco de cada ovo, mostrando as ondas brilhantes que viajavam por sua superfície. Quanto mais brilhante for uma região em 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 de seus vídeos, a equipe observou que as ondas pareciam oscilar para fora como minúsculas espirais semelhantes a furacões. Os pesquisadores traçaram a origem de cada onda até o núcleo de cada espiral, que eles chamam de '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 pela superfície de um ovo e com que frequência e em que configurações as espirais surgiam, colidiam e desapareciam.

Em uma reviravolta surpreendente, eles descobriram que seus resultados estatísticos e o comportamento das ondas na superfície de um ovo eram iguais ao comportamento das ondas em outros 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 uma 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 idéias da computação quântica. Assim como o padrão de ondas em um ovo transmite sinais específicos, neste caso da divisão celular, a computação quântica é um campo que visa manipular átomos em um fluido, em padrões precisos, a fim de traduzir informações e realizar cálculos.

“Talvez agora possamos pegar emprestado ideias de fluidos quânticos para construir minicomputadores a partir de células biológicas”, diz Fakhri. 'Esperamos algumas diferenças, mas vamos tentar explorar [ondas de sinalização biológica] mais como uma ferramenta de computação.'

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela James S. McDonnell Foundation, a Alfred P. Sloan Foundation e a National Science Foundation.

Reproduzido com permissão de MIT News . Leia o artigo original .

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