O desenvolvimento inicial é como uma dança cuidadosamente coreografada, com faixas uniformes de células se organizando em padrões elaborados — um primeiro passo para a formação de órgãos funcionais. Uma camada plana de células da pele, por exemplo, deve fazer a transição para uma cravejada de células ciliadas e glândulas sudoríparas.
Um novo estudo do Laboratório de Morfogênese da Universidade Rockefeller, co-liderado por Amy Shyer e Alan Rodrigues, revela que padrões de desenvolvimento podem emergir espontaneamente de interações físicas entre coletivos de células e a matriz que os cerca. Tais interações geram propriedades semelhantes a fluidos, permitindo a formação de padrões análogos a como um filme de água no para-brisa se retrai em gotículas.

Usando a pele de galinha como um sistema modelo, os pesquisadores descobriram que as forças mecânicas entre as células quebram a simetria do tecido, empurrando as células para agregar em feixes periodicamente espaçados que mais tarde crescerão penas em todo o tecido da pele. Essas mudanças estruturais desencadeiam mudanças secundárias na expressão gênica que levam à sinalização molecular clássica, levando o desenvolvimento adiante.

As descobertas, publicadas na Cell , fornecem uma melhor compreensão dos fatores físicos envolvidos na formação dos órgãos.

"O desenvolvimento de órgãos envolve uma colaboração contínua entre processos mecânicos e moleculares", diz a professora assistente Amy Shyer. “Compreender a sequência precisa das etapas nesse ciclo de feedback pode nos ajudar a reparar tecidos ou estudar a formação de tumores de novos ângulos”.

Estruturas em ascensão

Quando novos órgãos emergem do tecido embrionário homogêneo, eles parecem tirar a estrutura ideal de muitas possibilidades. “Uma das coisas misteriosas sobre essas estruturas é que elas têm um padrão perfeito embutido que realmente maximiza a eficiência de sua função”, diz Shyer.

Historicamente, os genes receberam grande parte do crédito por essa façanha da engenharia biológica. São nossos genes, dizia o pensamento, que fornecem um modelo molecular que determina como as células se especializam em componentes específicos de órgãos e como elas se reordenam para dar origem a estruturas intrincadas. Mas alguns cientistas encontraram razões para questionar essa teoria. Por exemplo, algumas estruturas se formam em uma escala tão grande que é difícil explicar como os sinais moleculares supervisionam a formação de padrões em um alcance tão longo, sugerindo que outros mecanismos devem estar em jogo.

Tomando uma perspectiva alternativa, Shyer e Rodrigues estão se concentrando no papel da mecânica celular coletiva na morfogênese. Seu trabalho anterior mostrou que as mudanças morfológicas na pele das aves aparecem antes que os genes implicados na formação do folículo sejam expressos. "Então não são necessariamente os genes que iniciam as primeiras mudanças morfológicas", diz Rodrigues. "Em vez disso, descobrimos que as células se auto-organizam para iniciar os folículos. Ao mesmo tempo, não sabíamos o mecanismo preciso que permite essa auto-organização."

Alinhamento coletivo

No novo estudo, a equipe de Shyer e Rodrigues começou a examinar mais de perto o que exatamente impulsiona o tecido a mudar. Para ampliar os momentos que levaram à formação do padrão, os pesquisadores usaram células primárias da pele recém-colhidas de embriões de galinha e adicionaram colágeno, um componente essencial que fornece estrutura à pele. Apenas esses dois ingredientes foram suficientes para que todo o processo se desenrolasse em uma placa de laboratório. Esse sistema permitiu que os pesquisadores reconstruíssem o desenvolvimento natural da pele, eliminando quaisquer possíveis pistas moleculares dos tecidos vizinhos.

Observando o processo de agregação celular quadro a quadro, Karl Palmquist, principal autor do estudo, descobriu que as células contráteis da pele começaram a se ligar ao substrato à base de colágeno semelhante a uma malha que as cercava e puxavam-no. Ele então fez uma observação importante:a força de tração de muitas células realinha a matriz em uma estrutura altamente ordenada que resiste à tração. As células, sentindo o aumento da tensão, se contraem cada vez mais, aumentando sua atração. Eventualmente, forças recíprocas entre as células e a matriz extracelular geram um alinhamento coletivo de células que permite que o campo de células se transforme em um padrão ordenado de agregados semelhantes a folículos.

Juntamente com Anna Erzberger, uma autora sênior que foi pós-doutoranda no laboratório de James A. Hudspeth e atualmente é líder de grupo no Laboratório Europeu de Biologia Molecular em Heidelberg, Alemanha, a equipe desenvolveu um modelo teórico de desenvolvimento de pele baseado na propriedades físicas dos fluidos. Este modelo previu com precisão a formação espontânea de agregados multicelulares regulares.

A equipe está planejando investigar como a mecânica multicelular semelhante pode ser essencial na estruturação de outros tecidos do corpo em desenvolvimento e doença.