Muitas células em nosso corpo estão em movimento e de alguma forma parecem "saber" para onde ir. Mas como eles descobrem a localização de seu destino? Esta questão é fundamental para a compreensão de fenômenos como a renovação das células em nosso corpo, a migração de células cancerosas, e especialmente como as feridas cicatrizam. Edouard Hannezo e seu grupo no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (IST Áustria), em colaboração com Tsuyoshi Hirashima e seu aluno na Universidade de Kyoto, propõem um novo modelo de transferência de informações em que as células utilizam ondas de longa distância de maneira auto-organizada para fechar uma ferida. Este estudo foi publicado recentemente na revista Física da Natureza .

Os pesquisadores construíram um modelo matemático para descrever as interações dentro de uma camada de células em um substrato, semelhante a uma camada de pele. Essas células contêm sinalizadores químicos - proteínas - que lhes permitem sentir outras células ao seu redor, então, sejam eles empurrados ou puxados, e controlar seu próprio movimento. O que os cientistas descobriram é que a interação intrincada do movimento celular, detecção do meio ambiente, e os estados de ativação de proteínas dentro das células se combinam para criar ondas viajantes mecânicas e químicas acopladas, nas quais a informação direcional é codificada.

Loops de feedback

A onda mecânica aparece como regiões mais densas e esparsas de células alternando no espaço e no tempo. A onda química aparece como atividade de proteína e é desencadeada pelo movimento celular e feedback mecânico. A química das células, por sua vez, conduz as mudanças na forma e o movimento da célula, fechando um ciclo de feedback com a mecânica celular. Nesse sistema acoplado, essas ondas mecânicas e químicas surgem espontaneamente devido ao feedback e à amplificação.

Em uma camada normal de células não feridas, essas ondas se propagam sem uma direção preferencial, mas quando uma ferida artificial é introduzida em um lado, as ondas se reorientam para se propagar exclusivamente para longe da ferida. Os pesquisadores levantaram a hipótese de que as ondas poderiam ser uma ferramenta de comunicação, permitindo que as células muito distantes da ferida - e, portanto, não a "vendo" diretamente - percebam que caminho seguir.

Lendo as ondas

Uma onda de densidade faz com que os vizinhos de uma célula a empurrem e puxem ao longo da direção em que a onda está viajando. Uma vez que as forças exercidas na célula são iguais e opostas entre as cristas e vales de cada onda, o resultado é que a célula apenas se move pequenas distâncias para frente e para trás, sem qualquer movimento líquido. Com efeito, a célula não tem como saber de onde veio a onda e, portanto, não tem informações sobre a localização do ferimento.

É aí que entra a segunda onda de atividade da proteína. Ela atinge a célula um pouco depois da onda de densidade, devido ao atraso que leva para as proteínas se ativarem. E como a atividade da proteína controla a velocidade com que as células se movem, um atraso entre as duas ondas permite que as células se movam rapidamente ao serem puxadas na direção da ferida, e lentamente ao ser empurrado. Desta maneira, as células podem quebrar a simetria e começar a se mover na direção preferida em direção ao ferimento.

Experimentos fora de equilíbrio

Os pesquisadores da Universidade de Kyoto observaram esse comportamento fora de equilíbrio da cicatrização de feridas durante experimentos in vitro com células reais em um substrato. Eles usaram uma nova técnica de microscopia para permitir que medissem a atividade da proteína dentro de cada célula:a proteína foi modificada para que se acendesse quando ativada, revelando assim ondas de ativação da proteína que se propagam por toda a camada celular. Os pesquisadores foram capazes de prever quantitativamente os padrões de onda, que eles também observaram experimentalmente. Mais impressionante, eles também descobriram que o atraso entre as duas ondas estava próximo do ideal teoricamente predito para permitir que as células extraíssem o máximo de informações das ondas.

Este mecanismo de auto-organização é notável por permitir uma comunicação robusta e espontânea de direção em grandes distâncias dentro das camadas celulares. Ele demonstra uma maneira pela qual o comportamento coordenado pode surgir em nossos corpos, ajudando-os a se curar e crescer.