Ano passado, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia revelaram descobertas surpreendentes sobre como as células respondem à curvatura da superfície. Especificamente, eles investigaram como as células respondem a superfícies cilíndricas, que são comuns em biologia. Eles descobriram que as células mudam as configurações estáticas de suas formas e estruturas internas.

"Nós pensamos nisso como as células fazendo cálculos; as células sentem e respondem à curvatura subjacente, "diz Kathleen Stebe da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn.

Agora, Os pesquisadores, liderado por Stebe e o recente graduado em engenharia Nathan Bade em colaboração com Randall Kamien da Escola de Artes e Ciências e Richard Assoian da Escola de Medicina Perelman, publicaram um estudo de acompanhamento que Stebe compara a "calc III" para células, investigando como as células respondem a geometrias mais complexas. A pesquisa, o que pode permitir novas ferramentas em biologia e afetar a forma como os médicos tratam coisas como doenças vasculares, foi publicado no Biophysical Journal .

Os pesquisadores criaram uma superfície diferente dos cilindros que eles chamam de "esfera com saia". Como o nome sugere, a parte superior da superfície é esférica, mas, conforme se viaja mais para baixo na superfície de cada lado, forma uma saia em formato de sela. Por causa disso, a superfície tem duas curvaturas diferentes de zero em cada ponto; a parte esférica tem o que é chamado de curvatura gaussiana positiva, enquanto a saia tem curvatura gaussiana negativa.

"Demos esta pequena montanha realmente interessante para as células, "Stebe diz, "e disse, O que você vai fazer com essa montanha lisa que lhe dá essas diferentes curvaturas? E essas células são realmente inteligentes. Eles não mudam apenas suas formas e estruturas internas, mas eles se movem de maneiras dramaticamente diferentes que abrem novas questões sobre como as células se movem. "

As células em superfícies rígidas formam fibras de estresse, compreendendo motores de actina e miosina. No estudo anterior, os pesquisadores descobriram que, surpreendentemente, em uma superfície cilíndrica, as células dobram algumas das fibras de tensão ao longo da direção da curvatura máxima. Embora uma população de fibras de estresse localizada acima do núcleo da célula esteja alinhada ao longo do eixo do cilindro, outro sob o núcleo enrolado em torno da circunferência do cilindro. Eles também descobriram que, manipulando o ctiosqueleto das células, eles poderiam recapitular o padrão de alinhamento do citoesqueleto que viram in vivo.

Neste trabalho mais recente, os pesquisadores descobriram que, novamente, a população de fibras de estresse acima do núcleo permaneceu o mais reta possível e, então, abaixo do núcleo, uma segunda população enrolada na direção em que são mais dobradas. Assim como na pesquisa anterior, as duas populações alinhadas ao longo das duas direções principais da superfície.

Para investigar isso, Bade revestiu a esfera com saia com moléculas para torná-la aderente às células e então observou como as células se comportavam quando migraram na superfície. Os pesquisadores usaram um poderoso microscópio confocal que forneceu informações tridimensionais sobre os sistemas.

Os pesquisadores conseguiram tratar as fibras de estresse, um componente do 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, assim como no estudo anterior, uma população encontrou uma maneira de ficar o mais reto possível e a outra encontrou uma maneira de se curvar o máximo possível.

"As fibras de tensão apical que queriam permanecer o mais retas possível encontraram uma maneira de permanecer retas formando cordas em forma de ponte sobre a fenda côncava, "Bade diz, "As fibras de estresse basal envolveram o recurso e estavam muito dobradas."

Os pesquisadores então estudaram as orientações das duas populações de fibras de estresse em função da curvatura da superfície. Eles descobriram que as células que vivenciam a parte ligeiramente curvada da superfície não tinham nenhuma orientação preferencial para suas fibras de estresse apicais, mas aqueles que enfrentam a curvatura mais desafiadora orientaram fortemente suas fibras de tensão apical, apontando para o centro do recurso. Isso abriu a questão de que tipo de impacto isso tem sobre comportamentos celulares importantes.

"As células veem esses tipos de limites e superfícies em nossos corpos, "Bade diz." Glândulas e vasos têm os tipos de campos de curvatura que capturamos na superfície da esfera com saia. Alguns tipos de tumores também apresentam curvaturas complexas. A curvatura está em toda parte. Não somos feitos de aviões. "

De acordo com Bade, esta pesquisa mostra que essas pistas geométricas têm impactos profundos na organização do citoesqueleto, o que é importante para comportamentos celulares, como migração, como as células se movem em nosso corpo.

"Queríamos descobrir como a geometria da esfera com saia influenciaria a migração celular, se isso acontecesse, "Bade diz." Vimos que as células migrariam para cima da saia, mas, assim que encontraram a tampa esférica, na verdade, eles pararam de migrar na direção radial. As células exploram esta tampa, mas eles se recusam a migrar para ele. Esta é efetivamente uma região de repulsão da curvatura para a célula. As células realmente mudam sua polarização; você pode vê-los girar quase 90 graus e começar a migrar em torno do recurso. "

Bade e Stebe acreditam que a curvatura pode, na verdade, estar alterando a relação entre a direção na qual as fibras de tensão são orientadas e a direção de migração. Isso sugere que as fibras de estresse apicais, que geralmente levam à migração, diminuição em importância, e a população basal assume o controle.

"Nos aviões, as fibras de estresse apical são sempre responsáveis ​​por conduzir, "Stebe diz, "mas, de repente, as fibras de estresse basal agarram a roda. Isso deixa muitas questões em aberto. É uma daquelas peças de trabalho realmente empolgantes porque os resultados são claramente evidentes nos dados, mas os mecanismos não são nada triviais. É realmente empolgante que colocar uma questão aparentemente ingênua pode puxá-lo para um espaço com grandes questões abertas e que a clareza dos dados, a importância dos resultados, a maneira como a célula obedeceu totalmente a essas dicas foi de tirar o fôlego para mim. "

De acordo com Bade, compreender a rigidez do tecido e seu papel na mudança do comportamento das células teve implicações dramáticas nos cuidados de saúde e na forma como os pesquisadores abordam doenças como o câncer. Este novo trabalho sugere que os campos de curvatura visíveis a olho nu também são uma pista importante. Tendo isso em mente ao observar os estados de doença, Bade diz, pode influenciar a maneira como as pessoas entendem coisas como doenças vasculares.

Stebe diz que as questões que esta pesquisa abre podem abrir caminho para novas ferramentas na biologia.

"Na ciência e na engenharia, uma vez que sabemos que podemos organizar algo, podemos encontrar uma maneira de usá-lo, "ela diz." Então, por exemplo, aqui, existem questões interessantes sobre como o núcleo interage com as entidades circundantes dentro de uma célula. E agora temos duas boas maneiras de confinar o núcleo - fibras sob tensão nos cilindros, que comprimem o núcleo, e sob as cordas que envolvem o núcleo sem comprimi-lo. Esses resultados são interessantes para outros pesquisadores, que pode nos ajudar a ir mais longe na biologia para perguntar sobre as implicações desses efeitos na expressão gênica e no destino celular. "