Quando uma célula-ovo de quase todas as espécies de reprodução sexuada é fertilizada, ele desencadeia uma série de ondas que ondulam pela superfície do ovo. Essas ondas são produzidas por bilhões de proteínas ativadas que surgem através da membrana do ovo como fluxos de minúsculas sentinelas escavadoras, sinalizando para o ovo começar a se dividir, dobrando, e dividindo novamente, para formar as primeiras sementes celulares de um organismo.

Agora, os cientistas do MIT deram uma olhada detalhada no padrão dessas ondas, produzido na superfície de ovos de estrelas do mar. Esses ovos são grandes e, portanto, fáceis de observar, e os cientistas consideram os ovos de estrelas do mar representativos dos ovos de muitas outras espécies animais.

Em cada ovo, a equipe introduziu uma proteína para imitar o início da fertilização, e registrou o padrão de ondas que ondulavam em suas superfícies em resposta. Eles observaram que cada onda emergiu em um padrão espiral, e que várias espirais giravam na superfície de um ovo de cada vez. Algumas espirais apareceram espontaneamente e giraram em direções opostas, enquanto outros colidiram de frente e desapareceram imediatamente.

O comportamento dessas ondas giratórias, os pesquisadores perceberam, é semelhante às ondas geradas em outros, sistemas aparentemente não relacionados, como os vórtices nos fluidos quânticos, as circulações na atmosfera e nos oceanos, e os sinais elétricos que se propagam pelo coração e pelo cérebro.

“Não se sabia muito sobre a dinâmica dessas ondas superficiais nos ovos, e depois que começamos a analisar e modelar essas ondas, descobrimos que esses mesmos padrões aparecem em todos esses outros sistemas, "diz o físico Nikta Fakhri, o professor assistente Thomas D. e Virginia W. Cabot no MIT. "É uma manifestação desse padrão de onda universal."

"Isso abre uma perspectiva completamente nova, "acrescenta Jörn Dunkel, professor associado de matemática no MIT. "Você pode emprestar muitas técnicas que as pessoas desenvolveram para estudar padrões semelhantes em outros sistemas, para aprender algo sobre biologia. "

Fakhri e Dunkel publicaram seus resultados hoje no jornal Física da Natureza . Seus co-autores são Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller, e Melis Tekant do MIT.

Encontrando o seu centro

Estudos anteriores mostraram que a fertilização de um ovo ativa imediatamente Rho-GTP, uma proteína dentro do ovo que normalmente flutua no citoplasma da célula em um estado inativo. Uma vez ativado, bilhões da proteína sobem do pântano do citoplasma para se anexar à membrana do ovo, serpenteando ao longo da parede em ondas.

“Imagine se você tem um aquário muito sujo, e uma vez que um peixe nada perto do vidro, você pode ver isso, "Dunkel explica." De maneira semelhante, as proteínas estão em algum lugar dentro da célula, e quando eles são ativados, eles se prendem à membrana, e você começa a vê-los se movendo. "

Fakhri diz que as ondas de proteínas que se movem através da membrana do ovo servem, em parte, para organizar a divisão celular em torno do núcleo da célula.

"O ovo é uma célula enorme, e essas proteínas têm que trabalhar juntas para encontrar seu centro, para que a célula saiba onde se dividir e dobrar, muitas vezes, para formar um organismo, "Fakhri diz." Sem essas proteínas criando ondas, não haveria divisão celular. "

Em seu estudo, a equipe se concentrou na forma ativa de Rho-GTP e no padrão de ondas produzidas na superfície de um ovo quando alteraram a concentração da proteína.

Para seus experimentos, eles obtiveram cerca de 10 óvulos dos ovários de estrelas do mar por meio de um procedimento cirúrgico minimamente invasivo. Eles introduziram um hormônio para estimular a maturação, e também injetou marcadores fluorescentes para anexar a quaisquer formas ativas de Rho-GTP que surgiram em resposta. Eles então observaram cada ovo através de um microscópio confocal e observaram como bilhões de proteínas ativadas e onduladas pela superfície do ovo em resposta a concentrações variáveis ​​da proteína hormonal artificial.

"Desta maneira, criamos um caleidoscópio de padrões diferentes e olhamos para a dinâmica resultante, "Fakhri diz.

Pista de furacão

Os pesquisadores primeiro montaram vídeos em preto e branco de cada ovo, mostrando as ondas brilhantes que viajaram sobre sua superfície. Quanto mais brilhante uma região em uma onda, quanto maior a concentração de Rho-GTP nessa região particular. Para cada vídeo, eles compararam o brilho, ou concentração de proteína de pixel a pixel, e usou essas comparações para gerar uma animação dos mesmos padrões de onda.

De seus vídeos, a equipe observou que as ondas pareciam oscilar para fora como minúsculas, espirais semelhantes a furacões. Os pesquisadores traçaram a origem de cada onda até o núcleo de cada espiral, ao qual eles se referem como um "defeito topológico". Por curiosidade, eles próprios rastrearam o movimento desses defeitos. Eles fizeram algumas análises estatísticas para determinar a rapidez com que certos defeitos se moviam pela superfície de um ovo, e com que frequência, e em quais configurações as espirais surgiram, colidiu, e desapareceu.

Em uma reviravolta surpreendente, eles descobriram que seus resultados estatísticos, e o comportamento das ondas na superfície de um ovo, eram iguais ao comportamento das ondas em outros sistemas maiores e aparentemente não relacionados.

"Quando você olha as estatísticas desses defeitos, é essencialmente o mesmo que vórtices em um fluido, ou ondas no cérebro, ou sistemas em uma escala maior, "Dunkel diz." É o mesmo fenômeno universal, apenas reduzido ao nível de uma célula. "

Os pesquisadores estão particularmente interessados ​​na semelhança das ondas com as ideias da computação quântica. Assim como o padrão de ondas em um ovo transmite sinais específicos, neste caso de divisão celular, a computação quântica é um campo que visa manipular átomos em um fluido, em padrões precisos, para traduzir informações e realizar cálculos.

"Talvez agora possamos emprestar ideias de fluidos quânticos, para construir minicomputadores a partir de células biológicas, "Fakhri diz." Esperamos algumas diferenças, mas tentaremos explorar [as ondas de sinalização biológica] mais como uma ferramenta de computação ”.