No estágio inicial da vida, os animais passam por algumas de suas transformações físicas mais espetaculares. Antes apenas bolhas de células em divisão, eles começam a se reorganizar em suas formas mais características, sejam eles peixes, pássaros ou humanos. Entender como as células agem juntas para construir tecidos tem sido um problema fundamental na física e na biologia.

Agora, Otger Campàs, professor da UC Santa Bárbara, que também detém a cadeira Mellichamp em Biologia de Sistemas e Bioengenharia, e Sangwoo Kim, um pós-doutorado no laboratório do professor Campàs, abordaram esta questão, com descobertas surpreendentes.

"Quando você tem muitas células interagindo fisicamente umas com as outras, como o sistema se comporta coletivamente? Qual é o estado físico do conjunto? ", Disse Campàs.

De fato, ele explicou, tecido celular embrionário é um "material estranho, "com cada célula consumindo energia química e usando-a para aplicar forças às suas vizinhas e coordenar suas ações. Estudos in vitro com células em placas sintéticas fornecem apenas parte do quadro, ele adicionou; estudando células em seu ambiente nativo, o embrião vivo, eles poderiam descobrir como as células controlam seu estado coletivo e as transições de fase que emergem de sua sinfonia de empurrões e puxões.

Em um artigo publicado em Física da Natureza , Campàs, Kim e colegas relatam o desenvolvimento de uma estrutura computacional que captura as várias interações entre as células e as conecta à dinâmica do tecido embrionário. Ao contrário das simulações anteriores, esta estrutura leva em consideração vários recursos-chave relevantes para as interações celulares, como espaços entre células, formas celulares e flutuações de tensão onde as células se encontram.

"Para compreender totalmente o comportamento físico dos tecidos embrionários, todos os principais aspectos dos tecidos embrionários em escalas celulares devem ser levados em consideração no modelo, pois as propriedades do tecido emergente derivam de interações em escala celular, "disse Kim, o principal autor do estudo. “Existem vários modelos para estudar tecidos embrionários, mas não há uma estrutura geral que inclua esses recursos-chave, dificultando a compreensão holística dos comportamentos físicos dos tecidos embrionários. "

Células Jiggling

Tecido embrionário, de acordo com os pesquisadores, se comporta fisicamente como uma espuma aquosa, um sistema composto de bolsas individuais de ar aglomeradas em um líquido. Pense em espuma de sabão ou espuma de cerveja.

“No caso da espuma, sua estrutura e dinâmica são governadas pela tensão superficial, "Disse Kim. Forças análogas são encontradas onde as células entram em contato umas com as outras no tecido embrionário, em ambas as faces internas das membranas celulares e entre as células.

"As forças eficazes que atuam nas junções célula a célula são governadas pela tensão cortical e adesão célula a célula, "Kim disse, "para que a força resultante nos contatos célula a célula possa ser modelada como uma tensão superficial efetiva."

Contudo, ao contrário das forças mais estáticas entre as células em espumas típicas, as forças entre as células no tecido embrionário são dinâmicas.

"As células nos tecidos não geram forças estáticas, mas sim exibir empurrões e puxões dinâmicos ao longo do tempo, "Campàs explicou." E descobrimos que na verdade são essas flutuações de tensão que efetivamente 'derretem' o tecido em um estado fluido. "É essa fluidez do tecido que permite que as células se reorganizem e moldem os tecidos, ele explicou.

Os pesquisadores colocaram seu modelo à prova medindo como as forças mudam ao longo do tempo no peixe-zebra embrionário, um organismo modelo popular para aqueles que estudam o desenvolvimento de vertebrados. Baseando-se em uma técnica desenvolvida no Laboratório Campàs usando minúsculas gotículas magnéticas inseridas entre as células em um peixe-zebra embrionário, eles foram capazes de confirmar, pela forma como a gota se deformou, as forças dinâmicas por trás do estado fluido do tecido.

A descoberta de que as flutuações de tensão são responsáveis ​​pela fluidez do tecido durante o desenvolvimento contrasta com a noção geralmente aceita de que mudanças na adesão entre as células é o fator crítico que controlou a fluidez do tecido - se a adesão entre as células atingiu um certo limite alto , o tecido se tornaria fluido.

"Mas, uma vez que as forças e tensões celulares flutuam nos embriões, pode ser que estes tenham desempenhado um papel importante na fluidização do tecido, "Campàs disse." Então, quando executamos as simulações e os experimentos, percebemos que na verdade o jiggling era muito mais importante para a fluidização do que a adesão. “O estado fluido do tecido é resultado da dinâmica de forças, ao invés de mudanças na tensão ou adesão da célula estática.

As descobertas deste estudo podem ter implicações no campo da física, particularmente no reino da matéria ativa - sistemas de muitas unidades individuais em que cada uma consome energia e aplica forças mecânicas que exibem coletivamente comportamentos coletivos emergentes. O estudo também pode informar estudos em biologia, em investigações de como as mudanças nos parâmetros celulares individuais podem controlar o estado global do tecido, como no desenvolvimento embrionário ou com tumores.