p No ano do centenário da publicação de um tratado seminal sobre os princípios físicos e matemáticos que sustentam a natureza - On Growth and Form, de D'Arcy Wentworth Thompson - um físico de Cambridge conduziu um estudo que descreve uma solução elegantemente simples para um quebra-cabeça que tem sobrecarregado os biólogos por séculos:como surgem padrões complexos de ramificação de tecidos. p Padrões de ramificação ocorrem em toda a natureza - nas árvores, samambaias e coral, por exemplo - mas também em uma escala muito mais precisa, onde são essenciais para garantir que os organismos possam trocar gases e fluidos com o meio ambiente de forma eficiente, maximizando a área de superfície disponível.

p Por exemplo, no intestino delgado, o tecido epitelial é organizado em uma série de protuberâncias semelhantes a dedos. Em outros órgãos, como rim, pulmão, glândulas mamárias, pâncreas e próstata, as superfícies de troca são compactadas com eficiência em torno de estruturas epiteliais ramificadas intrincadas.

p "Na superfície, a questão de como essas estruturas crescem - estruturas que podem conter até 30 ou 40 gerações de ramificações - parece incrivelmente complexa, "diz o professor Ben Simons, quem liderou o estudo, publicado hoje no jornal Célula . O professor Simons ocupa cargos no Cavendish Laboratory da University of Cambridge e no Wellcome Trust / Cancer Research UK Gurdon Institute.

p Este problema clássico de 'morfogênese ramificada' atraiu a atenção de cientistas e matemáticos por séculos. De fato, os fundamentos matemáticos da morfogênese - o processo biológico que faz com que os organismos desenvolvam sua forma - foi o assunto do texto clássico de D'Arcy Wentworth Thompson, publicado em 1917 pela Cambridge University Press. Thompson foi estudante em Cambridge, estudando zoologia no Trinity College, e trabalhou brevemente como Demonstrador Júnior em Fisiologia.

p Durante o desenvolvimento, estruturas ramificadas são orquestradas por células-tronco que conduzem um processo de crescimento e divisão ductal (ou 'bifurcação'). Cada ramo subsequente irá parar de crescer, ou continue a ramificar novamente. Em um estudo publicado em Natureza no início deste ano, O professor Simons, trabalhando em colaboração com o Dr. Jacco van Rheenen no Instituto Hubrecht em Utrecht, mostrou que, na glândula mamária, esses processos de divisão e rescisão ocorrem aleatoriamente, mas com probabilidade quase igual.

p "Embora exista um processo de tomada de decisão coletiva em andamento envolvendo vários tipos diferentes de células-tronco, nossa descoberta de que o crescimento ocorre quase no lance de uma moeda sugere que pode haver uma regra muito simples que o sustenta, "diz o professor Simons.

p O professor Simons e seu colega Dr. Edouard Hannezo observaram que havia muito pouco cruzamento dos ramos - os dutos pareciam expandir-se para preencher o espaço, mas não se sobrepõem. Isso os levou a conjeturar que os dutos estavam crescendo e se dividindo, mas assim que uma ponta tocou outro galho, isso iria parar.

p "Desta maneira, você gera uma rede que preenche perfeitamente o espaço, precisamente com a organização estatística observada, através da instrução local mais simples:você ramifica e para quando encontra um duto em maturação, "diz o Dr. Hannezo, Sir Henry Wellcome Postdoctoral Fellow baseado no Gurdon Institute. "Isso tem implicações enormes para a biologia básica. Diz a você que estruturas epiteliais ramificadas complexas se desenvolvem como um processo auto-organizado, baseado em um surpreendentemente simples, mas genérico, regra, sem recurso a um rígido, sequência pré-determinada de eventos geneticamente programados. "

p Embora essas observações tenham sido baseadas no epitélio da glândula mamária, by using primary data from Dr Rosemary Sampogna at Columbia University, Professor Anna Philpott in Cambridge and Dr Rakesh Heer at Newcastle University, the researchers were able to show that the same rules governed the embryonic development of the mouse kidney, pancreas and human prostate.

p "In the mammary gland, you have a hundred or more fate-restricted stem-like cells participating in this bifurcation-growth-bifurcation process, whereas in the pancreas it's just a handful; but the basic dynamics are the same, " says Professor Simons. "The model is aesthetically beautiful, because the rules are so simple and yet they are able to predict the complex branching patterns of these structures."

p The researchers say their discovery may offer insights into the development of breast and pancreatic cancer, where the earliest stages of the disease often show an irregular tangled ductal-like organisation.

p "A century after the publication of On Growth and Form, it's exciting to see how the concepts of self-organisation and emergence continue to offer fresh perspectives on the development of biological systems, framing new questions about the regulatory mechanisms operating at the cellular and molecular scale, " Professor Simons adds.

p While it may be too early to tell whether similar rules apply to other branched tissues and organisms, there are interesting parallels:branching in trees appears to follow a similar pattern, por exemplo, with side branches growing and bifurcating until they are shaded or until they are screened by another branch, at which point they stop.

p The research was funded by the Wellcome Trust with additional core support from Cancer Research UK and the Medical Research Council.

p Dr Sheny Chen from Wellcome's Cellular and Developmental Science team, said:"This is an elegant study that helps us to understand what guides the decisions our cells make during essential developmental processes. It's fascinating to see that such simple rules can govern the generation of such highly complex patterns and that these rules can apply to different branched structures."