Em seus estágios iniciais, muito antes de brotar seus apêndices característicos, um embrião de estrela do mar se assemelha a uma pequena conta, girando na água como um rolamento de esferas em miniatura.
Agora, os cientistas do MIT observaram que, quando vários embriões de estrelas-do-mar giram para a superfície da água, eles gravitam entre si e se reúnem espontaneamente em uma estrutura semelhante a um cristal surpreendentemente organizada.

Ainda mais curioso, esse "cristal vivo" coletivo pode exibir uma elasticidade estranha, uma propriedade exótica pela qual a rotação de unidades individuais - neste caso, embriões - desencadeia ondulações muito maiores em toda a estrutura.

Os pesquisadores descobriram que essa configuração de cristal ondulante pode persistir por períodos de tempo relativamente longos antes de se dissolver à medida que os embriões individuais amadurecem.

"É absolutamente notável - esses embriões parecem belas contas de vidro, e eles vêm à superfície para formar esta estrutura cristalina perfeita", diz Nikta Fakhri, Thomas D. e Virginia W. Cabot Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira no MIT. “Como um bando de pássaros que podem evitar predadores ou voar mais suavemente porque podem se organizar nessas grandes estruturas, talvez essa estrutura de cristal possa ter algumas vantagens que ainda não conhecemos”.

Além da estrela do mar, ela diz, esse conjunto de cristais ondulantes e automontável poderia ser aplicado como um princípio de design, por exemplo, na construção de robôs que se movem e funcionam coletivamente.

“Imagine construir um enxame de robôs macios e giratórios que possam interagir uns com os outros como esses embriões”, diz Fakhri. "Eles podem ser projetados para se auto-organizar para se ondularem e rastejarem pelo mar para fazer um trabalho útil. Essas interações abrem uma nova gama de física interessante para explorar."

Fakhri e seus colegas publicaram seus resultados em um estudo publicado hoje na Nature .

Girando juntos

Fakhri diz que as observações da equipe de cristais de estrelas do mar foram uma "descoberta fortuita". Seu grupo vem estudando como os embriões de estrelas-do-mar se desenvolvem e, especificamente, como as células embrionárias se dividem nos estágios iniciais.

"As estrelas do mar são um dos sistemas modelo mais antigos para estudar a biologia do desenvolvimento porque têm células grandes e são opticamente transparentes", diz Fakhri.

Os pesquisadores estavam observando como os embriões nadam à medida que amadurecem. Uma vez fertilizados, os embriões crescem e se dividem, formando uma concha que então brota de minúsculos pelos, ou cílios, que impulsionam um embrião através da água. Em certo ponto, os cílios se coordenam para girar um embrião em uma direção de rotação específica, ou "quiralidade". Tzer Han Tan, um dos membros do grupo, notou que, à medida que os embriões nadavam para a superfície, eles continuavam girando, um em direção ao outro.

"De vez em quando, um pequeno grupo se reunia e meio que dançava", diz Fakhri. "E acontece que existem outros organismos marinhos que fazem a mesma coisa, como algumas algas. Então, pensamos, isso é intrigante. O que acontece se você juntar muitos deles?"

Em seu novo estudo, ela e seus colegas fertilizaram milhares de embriões de estrelas-do-mar e observaram enquanto nadavam até a superfície de pratos rasos.

"Existem milhares de embriões em um prato, e eles começam a formar essa estrutura cristalina que pode crescer muito", diz Fakhri. "Nós o chamamos de cristal porque cada embrião é cercado por seis embriões vizinhos em um hexágono que se repete em toda a estrutura, muito semelhante à estrutura cristalina do grafeno."

Cristais balançando

Para entender o que pode estar provocando embriões para se montarem como cristais, a equipe estudou primeiro o campo de fluxo de um único embrião, ou a maneira como a água flui ao redor do embrião. To do this, they placed a single starfish embryo in water, then added much smaller beads to the mix, and took images of the beads as they flowed around the embryo at the water's surface.

Based on the direction and flow of the beads, the researchers were able to map the flow field around the embryo. They found that the cilia on the embryo's surface beat in such a way that they spun the embryo in a particular direction and created whirlpools on either side of the embryo that then drew in the smaller beads.

Mietke, a postdoc in Dunkel's applied mathematics group at MIT, worked this flow field from a single embryo into a simulation of many embryos, and ran the simulation forward to see how they would behave. The model produced the same crystal structures that the team observed in its experiments, confirming that the embryos' crystallizing behavior was most likely a result of their hydrodynamic interactions and chirality.

In their experiments, the team also observed that once a crystal structure had formed, it persisted for days, and during this time spontaneous ripples began to propagate across the crystal.

"We could see this crystal rotating and jiggling over a very long time, which was absolutely unexpected," she says. "You would expect these ripples to die out quickly, because water is viscous and would dampen these oscillations. This told us the system has some sort of odd elastic behavior."

The spontaneous, long-lasting ripples may be the result of interactions between the individual embryos, which spin against each other like interlocking gears. With thousands of gears spinning in crystal formation, the many individual spins could set off a larger, collective motion across the entire structure.

The researchers are now investigating whether other organisms such as sea urchins exhibit similar crystalline behavior. They are also exploring how this self-assembling structure could be replicated in robotic systems.

"You can play with this design principle of interactions and build something like a robotic swarm that can actually do work on the environment," she says. + Explorar mais

Researchers build embryo-like structures from human stem cells

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.