p Inspirado em como a geometria influencia os sistemas físicos, como a matéria mole, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia revelaram descobertas surpreendentes sobre como a física das moléculas dentro de uma célula afeta o comportamento da célula. p "As células têm um esqueleto assim como nós temos um esqueleto, "disse Nathan Bade, Pós-graduando no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas, "e, assim como nosso esqueleto, é duro. Queríamos entender como esse esqueleto rígido responderia à geometria. "

p Os pesquisadores se concentraram nas células do músculo liso vascular, que são os tipos de células que constituem uma grande parte dos grandes vasos sanguíneos dos mamíferos. De acordo com Bade, os cientistas podem esperar que a célula tente evitar a dobra. Contudo, os pesquisadores descobriram que em uma superfície cilíndrica as células realmente formam esqueletos muito curvados. Eles também descobriram que, manipulando o esqueleto das células, eles poderiam recapitular o padrão de alinhamento do esqueleto que viram in vivo.

p "A coisa mais empolgante que descobrimos é que a geometria realmente importa quando se trata de comportamentos celulares, "Bade disse." Acho que é algo que foi um pouco esquecido em comparação com a rigidez e outros fatores ambientais importantes. "

p A pesquisa foi liderada por Bade, trabalhando sob a orientação de Kathleen Stebe, o Professor Richer &Elizabeth Goodwin do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular e vice-reitor de pesquisa e inovação; Randall Kamien, o Professor Vicki e William Abrams em Ciências Naturais no Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências; e Richard K. Assoian, professor de farmacologia na Escola de Medicina Perelman da Penn. Seu artigo foi publicado em Avanços da Ciência .

p "Já sabemos que as células de mamíferos interagem com os limites, "Stebe disse." Por exemplo, se as células são cultivadas em superfícies de rigidez diferente, eles se organizam de maneira diferente. Isso nos interessou por esta questão da geometria:pode uma célula ver a forma de seu limite? E focamos nosso trabalho inicial em estruturas semelhantes a cilíndricas, porque elas são muito comuns na biologia. "

p Para investigar isso, Bade revestiu cilindros com moléculas que os fazem aderir às células e, em seguida, observou e reuniu informações sobre como as células se comportavam quando cresciam em uma fronteira curva. Os pesquisadores usaram um poderoso microscópio confocal que forneceu informações tridimensionais sobre os sistemas.

p Os pesquisadores conseguiram tratar as fibras de estresse, o citoesqueleto ativo dentro das células, para que fluorescessem. Usando um laser para coletar luz de seções muito pequenas de uma amostra, o microscópio confocal eliminou toda a luz fora de foco. Isso produziu uma imagem de alta resolução de um plano estreito que permitiu aos pesquisadores ver que a população de fibras de estresse situada no topo da célula estava alinhada de forma diferente de outra população abaixo.

p Eles descobriram que o tamanho do cilindro afetou a resposta da célula:quanto maior o cilindro, o que resulta em uma geometria mais plana, menos as fibras de tensão se alinham. Uma vez que cilindros menores têm curvatura maior, as fibras de estresse se alinharam com mais força em torno deles.

p "Uma população de fibras de tensão se alinha ao longo do eixo, e o outro envolve o cilindro, "Stebe disse." Há um padrão muito distinto; não é sutil. Então, perguntamos por que isso estava acontecendo. "

p Usando uma droga projetada especificamente para ativar Rho dentro das células e tornar as fibras de estresse mais espessas e potencialmente mais rígidas, os pesquisadores começaram a ver se esse aumento na rigidez desencorajaria as fibras de estresse de se enrolarem ao redor do cilindro. Mas, para sua surpresa, os pesquisadores descobriram que esse tratamento eliminou completamente as fibras alinhadas ao longo do eixo e engrossou as fibras envolvidas.

p “A reorganização é muito marcante, "disse Stebe." Nós pensamos nisso como as células fazendo cálculo; as células sentem e respondem à curvatura subjacente. Pelo visto, a curvatura é um sinal que desempenha um papel muito importante na organização da própria célula e na microestrutura dentro da célula. Essas populações de fibras de estresse podem ser manipuladas com drogas que alteram a rigidez, entre outras coisas. E, depois dessas manipulações, as fibras de estresse mantêm alinhamentos muito fortes. Este não é o argumento usual para a formação de padrões em biologia. "

p Para acompanhar esses resultados, a equipe está conduzindo mais investigações sobre sinais de curvatura e geometrias e limites mais complexos.

p "Os resultados deste artigo são realmente interessantes, "Bade disse, "mas deixou uma tonelada de questões em aberto para nós. Uma delas é realmente entender os detalhes mecanicistas. O que exatamente está acontecendo com a célula para fazer com que uma população seja muito curvada e a outra muito reta ainda é um mistério para nós. Além disso, estamos no processo de fazer superfícies curvas mais complexas para ver como as células respondem quando confrontadas com um campo de curvatura muito mais desafiador. "

p De acordo com Bade, esta pesquisa produziu uma descoberta fundamental que lança luz sobre como as células estão interagindo com seu ambiente, que é crucial para entender o que as células estão fazendo dentro dos corpos humanos.

p "Tem havido um trabalho pioneiro na Universidade da Pensilvânia para entender como as células percebem a rigidez, "Bade disse, "que é um estímulo ambiental que não é um sinal químico solúvel. E isso acaba sendo muito importante no câncer e em todos os tipos de doenças. Acho que entender como as células sentem e respondem à geometria também é importante."

p Os pesquisadores também mostraram que, no nível mais básico, eles podem padronizar a estrutura interna da célula. Os padrões nessas estruturas têm implicações importantes nos comportamentos das células a jusante, como migração e proliferação. A capacidade dessas células de se dividir e migrar rapidamente pode ser influenciada pela geometria e curvatura.

p "Da capacidade de organizar vem a capacidade de interrogar, "Disse Assoian." Esta pode ser uma boa ferramenta que nos permite organizar a célula e sua subestrutura para outro interrogatório. Também é uma questão interessante de, se você está construindo estruturas a partir de células, essa organização da célula e suas subestruturas dá alguma nova resposta em células idênticas de outra forma? Seria muito interessante trabalhar em equipe com pessoas que estão pensando em como explorar células na cicatrização de feridas, ou interações de limite de célula para implantes.

p "Além do novo insight sobre os princípios fundamentais que as células usam para interpretar geometrias de superfície, essa pesquisa pode ter um grande alcance no entendimento de como as células musculares lisas e seus citoesqueletos contribuem para a formação de vasos sanguíneos durante o desenvolvimento e talvez até mesmo como eles remodelam seus vasos em doenças vasculares. E porque descobrimos que esta resposta à geometria não se limita às células musculares lisas, o sensoriamento geométrico pode se tornar uma nova fronteira em uma ampla gama de biologias. "

p Stebe disse, "Essa é a graça da ciência e da engenharia:uma pequena ferramenta nova pode tocar em tudo o mais. E essa descoberta é uma reorganização dramática. Então, o que mais ela toca?"