Os óvulos são as maiores células individuais do planeta. Seu tamanho – muitas vezes centenas de vezes o tamanho de uma célula típica – permite que cresçam e se transformem em organismos inteiros, mas também dificulta o transporte de nutrientes e outras moléculas ao redor da célula. Os cientistas sabem há muito tempo que os óvulos em maturação, chamados oócitos, geram fluxos internos de fluidos em forma de twister para transportar nutrientes, mas como esses fluxos surgem tem sido um mistério.



Agora, uma investigação liderada por cientistas computacionais do Flatiron Institute, juntamente com colaboradores das universidades de Princeton e Northwestern, revelou que estes fluxos – que se parecem com tornados microscópicos – surgem organicamente das interações de alguns componentes celulares.

Seu trabalho, publicado na Nature Physics , usou teoria, modelagem computacional avançada e experimentos com óvulos de mosca da fruta para descobrir a mecânica dos twisters. Os resultados estão ajudando os cientistas a compreender melhor as questões fundamentais sobre o desenvolvimento dos óvulos e o transporte celular.

“Nossas descobertas representam um grande salto neste campo”, diz o coautor Michael Shelley, diretor do Centro de Biologia Computacional (CCB) do Flatiron Institute. “Conseguimos aplicar técnicas numéricas avançadas de outras pesquisas que desenvolvemos há anos, o que nos permite uma visão muito melhor desta questão do que jamais foi possível antes.”

Em uma célula humana típica, leva apenas 10 a 15 segundos para uma molécula de proteína típica serpentear de um lado a outro da célula por meio de difusão; em uma pequena célula bacteriana, essa viagem pode acontecer em apenas um segundo. Mas nos óvulos da mosca da fruta estudados aqui, a difusão por si só levaria um dia inteiro – tempo demais para a célula funcionar adequadamente. Em vez disso, estes óvulos desenvolveram “fluxos de torção” que circulam em torno do interior do ovócito para distribuir proteínas e nutrientes rapidamente, tal como um tornado pode recolher e mover material muito mais longe e mais rapidamente do que apenas o vento.

“Depois de fertilizado, o oócito se tornará o futuro animal”, diz o coautor do estudo Sayantan Dutta, pesquisador de Princeton e do CCB. “Se você destruir o fluxo no ovócito, o embrião resultante não se desenvolverá”.

Os pesquisadores usaram um pacote avançado de software de biofísica de código aberto chamado SkellySim, desenvolvido por pesquisadores do Flatiron Institute.

Com o SkellySim, eles modelaram os componentes celulares envolvidos na criação dos twisters. Estes incluem microtúbulos – filamentos flexíveis que revestem o interior de uma célula – e motores moleculares, que são proteínas especializadas que servem como burros de carga celulares, transportando grupos especiais de moléculas conhecidas como cargas úteis. Os cientistas não têm certeza da composição dessas cargas, mas elas desempenham um papel fundamental na geração dos fluxos.

Os pesquisadores simularam o movimento de milhares de microtúbulos enquanto respondiam às forças exercidas por motores moleculares que transportam carga útil. Ao alternar entre os experimentos e suas simulações, os pesquisadores conseguiram compreender a estrutura dos fluxos twister e como eles surgiram a partir da interação entre o fluido celular e os microtúbulos.

“Nosso trabalho teórico nos permite ampliar e realmente medir e visualizar essas twisters em 3D”, diz o coautor do estudo e cientista pesquisador do CCB, Reza Farhadifar. “Vimos como esses microtúbulos podem gerar fluxos em grande escala apenas por meio da auto-organização, sem quaisquer sinais externos”.