Como uma célula equilibra o risco e a velocidade ao se dividir? Os cientistas da EPFL desenvolveram e testaram experimentalmente a primeira teoria matemática que descreve a melhor estratégia da célula para se dividir com segurança e eficiência.
As células passam por um ciclo de vida que inclui crescer até o tamanho certo, ser equipada para desempenhar suas funções e, finalmente, dividir-se em duas novas células. O ciclo celular é crítico porque garante a perpetuação da população de células e, por extensão, da estrutura maior da qual fazem parte – por exemplo, um tecido no corpo.

O próprio ciclo celular é rigidamente regulado por pontos de verificação, que impedem que erros como mutações ou danos no DNA sejam passados ​​para a próxima geração de células. Cada ponto de verificação funciona como uma espécie de monitor de controle de qualidade (uma "lista de verificação") biológica que garante a ordem, integridade e fidelidade do ciclo celular. Mas os próprios pontos de verificação geralmente falham ou são substituídos após uma parada prolongada do ciclo celular. Se isso acontecer no corpo humano, o resultado pode ser o crescimento e a divisão celular desregulada, que é o que acontece no câncer.

"Os pontos de verificação monitoram células ou organismos inteiros e podem interromper o ciclo celular ou o desenvolvimento do organismo quando detectam problemas", diz Sahand Jamal Rahi, da Escola de Ciências Básicas da EPFL. "Mas se células ou organismos estão presos a um erro por muito tempo, em muitos casos, eles simplesmente continuam se dividindo ou crescendo; eles não param para sempre. Existe um risco real de morrer se os postos de controle não pararem, mas também esperar para sempre é efetivamente equivalente a morrer."

A matemática da substituição do ponto de verificação

A questão é, então, como a célula equilibra o risco e a velocidade ao se dividir? Embora crítica, a substituição do ponto de verificação não é muito bem compreendida, nem teoricamente nem experimentalmente. Mas em um novo artigo, Rahi e seus colegas apresentaram a primeira teoria matemática para descrever o processo de substituição do checkpoint. "Muitos organismos têm que prever o que vai acontecer", diz ele. "Você tem um problema e você tem que avaliar o quão ruim esse problema pode ser porque as consequências não são certas. Você pode sobreviver a isso ou não sobreviver a isso. Então, a célula faz uma aposta de qualquer maneira. E neste estudo, nós analisar as probabilidades dessa aposta."

Para um organismo modelo da vida real, os pesquisadores analisaram a levedura Saccharomyces cerevisiae, que tem sido usada na vinificação, panificação e fabricação de cerveja há séculos. “Existem sistemas que monitoram organismos e, dentre esses sistemas, possivelmente o mais bem estudado é o checkpoint de danos ao DNA em leveduras”, diz Rahi. "Então, pensamos, vamos olhar para isso e ver se podemos entender as substituições de checkpoints. Começamos com uma análise matemática por trás da qual havia uma pergunta muito simples:e se esses organismos estão equilibrando risco e velocidade porque precisam prever o futuro?"

A relação risco-velocidade

Essa troca entre risco e velocidade é semelhante ao sistema de controle de qualidade de uma linha de montagem de fábrica:com que rapidez você pode produzir coisas antes que a qualidade seja afetada? Como conciliar qualidade e eficiência? "As pessoas já pensaram sobre essa troca de velocidade de risco por pontos de verificação antes, mas só pensaram sobre isso qualitativamente", diz Rahi. "Não é algo que foi realmente analisado ou levado a sério. Então, acho que podemos reivindicar a propriedade da ideia!"

Os cientistas analisaram a relação entre risco e velocidade. “A teoria é basicamente equilibrar diferentes probabilidades, então estamos calculando a mudança na aptidão se você esperar versus se continuar com a autorreplicação”, diz Rahi. "O organismo tem que criar uma estratégia que envolva tomar continuamente a decisão de esperar ou ir, dependendo da gravidade da situação do organismo naquele momento. É claro que esperar significa que você fará cada vez menos progênie. Então a alternativa é arriscar, então a célula se divide e há uma probabilidade de que ela sobreviva, e há uma probabilidade de que ela morra." A teoria calcula quando risco e velocidade se equilibram, determinando o "tempo" ideal. "O resultado acabou sendo uma equação muito simples", acrescenta Rahi.

Apesar de ser desenvolvida para leveduras, a teoria se aplica amplamente às células porque leva em conta apenas o risco e a velocidade, fatores que afetam todos os organismos. "Não há uma correspondência direta entre o que acontece nas células de levedura e de mamíferos, porque as células de mamíferos têm outras restrições além de apenas maximizar seu próprio crescimento", diz Rahi.

A dimensão do câncer

"Mas quando as células se tornam cancerosas, elas dissociam sua aptidão da aptidão de seu hospedeiro. E então a evolução darwiniana sugere que elas deveriam remodelar seus pontos de controle para maximizar o crescimento. É algo que nos interessa; um de nossos próximos passos é ver se as células se reconectam seus postos de controle de uma maneira ideal, uma vez que se tornam cancerosos."

Rahi não espera que as células cancerosas abolissem completamente seus sistemas de checkpoint. "Eles não se livram de seus postos de controle porque correm muito risco em cada divisão", diz ele. "Não ter nenhum ponto de verificação em comparação com quando eles eram pré-cancerosos também não é o ideal, porque assim que houver um problema eles morrerão. Então, estamos interessados ​​em ver se eles também visam esse estado de equilíbrio ideal que nossa teoria descreve. "

A pesquisa foi publicada em Nature Physics .